Speichern auf Molekülen

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Künstliche DNA als Speichermedium? Der Bioinformatiker Thomas Hinze sucht nach einer Alternative  für technische Speichermedien. Im Interview erklärt er, wie die Forschung versucht, das Erbmaterial des Menschen als Vorlage für die Entwicklung neuartiger Speicher zu benutzen.

Herr Hinze, Sie speichern Daten in Desoxyribonukleinsäure, also DNA, die wir als Träger genetischen Erbguts kennen. Wie kommt man darauf,  Biomoleküle als Speicher zu benutzen?

Das Erbmolekül DNA kann auf kleinstem Raum von wenigen Millilitern mehrere Tausend Terabyte Daten archivieren. Gleichzeitig ist es für seine lange Haltbarkeit bekannt. Forscher haben zum Beispiel das Genom von Mammuts, die vor mehr als 20.000 Jahren lebten, nahezu vollständig auslesen können. Technische Speichermedien wie DVDs oder Festplatten können Daten hingegen nur wenige Jahrzehnte speichern. Die Natur hat mit der DNA also ein hervorragendes Konzept zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen hervorgebracht, von dem wir als Ingenieure viel lernen können.

Wie genau muss man sich den Prozess des Speicherns auf biologischem Material vorstellen?

Daten und Informationen, die gespeichert werden sollen, lassen sich durch Abfolgen von Zeichen darstellen. In der klassischen Informatik nutzen wir Ketten aus Bits – also Abfolgen aus Nullen und Einsen – um zum Beispiel Bilder, Videos oder Musikstücke zu speichern. Bei DNA-Speichern verwenden wir das gleiche Prinzip, nur beschreiben wir unsere Information mit vier statt mit zwei Zeichen. DNA besteht aus den Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, übersetzt also aus den Zeichen A, C, G, und T. Diese können wir in beliebiger Abfolge in künstlich hergestellten DNA-Strängen zu langen Ketten aus hunderten Zeichen zusammenfügen und in reinem Wasser im Reagenzglas einfrieren.

Der Streamingdienst Netflix zeigt hier im Rahmen einer Werbeaktion, wie die von ihm beauftragte Serie „Biohackers“ auf DNA gespeichert wurde. In der Thriller-Serie geht es um Studenten, die mit Gentherapie-Experimenten zu tun haben:

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Können die Daten später wieder ausgelesen werden?

Das ist noch etwas kompliziert, denn bei der Erstellung einer Speichersequenz entstehen von jedem DNA-Strang zeitgleich einige Millionen Duplikate. Will man Speicherinhalte später wieder auslesen, muss man die „richtigen“ DNA-Stränge wiederfinden und davon gezielt eine Kopie herstellen. Das funktioniert prinzipiell, aber es kann auch vorkommen, dass der gesuchte DNA-Strang nicht gefunden wird, sondern ein ähnlicher, der sich nur in einem oder sehr wenigen Zeichen unterscheidet. Das ist etwa so, als wenn der Paketbote die Sendung nicht bei Herrn Müller in der Bahnhofstraße abliefert, sondern bei seinem Namensvetter in der Bahnhofsstraße. Diesen Ungenauigkeiten lässt sich begegnen, indem man die informationskodierten DNA-Stränge während des Herstellens zusätzlich codiert. So wie die Postleitzahlen für die Orte eingeführt wurden.

„DNA wird herkömmliche Speichermedien nicht verdrängen, obwohl immer mehr spezialisierte Anwendungen entwickelt werden. „

Thomas Hinze

Auf welche Probleme stoßen Sie noch? Wenn alles schon reibungslos funktionieren würde, wäre das DNA als Datenträger sicher schon verbreitet.

Es gibt noch ein paar Hürden, die wir Wissenschaftler nehmen müssen. Schon beim Herstellen der bereitgestellten Strangkopie wird etwa jedes 2000-ste Zeichen falsch in die Kopie eingebaut. In der natürlichen DNA gibt es einen Reparaturmechanismus, den wir Forscher aber noch nicht genau verstehen. Daher können wir der künstlichen DNA, mit der wir arbeiten, so eine Funktion noch nicht mitgeben. Sollen Speicherinhalte nicht nur ausgelesen, sondern auch verändert werden, stößt man auf ähnliche Herausforderungen, auch dabei schleichen sich mehr Fehler ein, als für eine Anwendung im großen Maßstab tolerierbar wäre. Dennoch sind die Vorteile der DNA als Speichermedium zu verlockend, um sie zu ignorieren.

Woran denken Sie? Kann man mit künstlicher DNA auch konkrete Aufgaben bewältigen?

Es gibt bereits einige Anwendungsfälle, in denen die Verarbeitung von DNA zuverlässig funktioniert und bestimmte Zwecke erfüllt. Forschende konnten kleine DNA-Computer in Form von Nanorobotern in den Blutkreislauf von Tieren injizieren. Diese sind in der Lage, bestimmte Arten von Krebs zu entdecken, welche sich durch charakteristische DNA-Fragmente im Blut verraten. Der Körper baut solche DNA-Fragmente eigentlich schnell ab. Der Nanoroboter erkennt sie aber vorher und sendet ein chemisches Signal aus, das noch Tage später in einer Blutprobe erkennbar ist.

Wie lange wird es noch dauern, bis künstliche DNA Teil unseres Alltags wird?

DNA wird herkömmliche Speichermedien nicht verdrängen, obwohl immer mehr spezialisierte Anwendungen entwickelt werden. Bis die DNA-Verarbeitung im Reagenzglas aber ähnlich gut gelingt wie auf natürliche Weise in lebenden Organismen wird es wohl noch dauern. Sie müssen bedenken: Die chemische Struktur der DNA wurde vor fast 70 Jahren entdeckt. Die Forschungsgeschichte des DNA-Computing reicht erst etwa 30 Jahre zurück. Bis man nach Entdeckung der physikalischen Gesetze der Elektrizität einsatzfähige elektronische Computer hatte, sind mehr als 200 Jahre vergangen.

(Interview: Andrea Brücken)