DNA als Festplatte – Filme in Bakterien speichern


Um Daten wie Texte, Fotos oder Videos zu sichern, werden diese auf CDs, USB-Sticks oder Festplatten gespeichert. Die Lebensdauer dieser Speichermedien ist allerdings auf wenige Jahre begrenzt. Daher setzen Forscher jetzt auf einen viel effizienteren Speicher – die DNA.  
Die neueste Errungenschaft der Forschung: Daten in Lebewesen abzuspeichern.

Das Foto einer Hand und ein Film von einem Reiter auf seinem Pferd – gespeichert in lebenden Bakterien. Ein Forscherteam der Harvard Medical School in Boston hat die Informationen in das Erbgut der Bakterien eingesetzt und konnten sie auch wieder auslesen. Heraus kam die Aufnahme, die anfangs eingelesen wurde. Die Idee, digitale Informationen im Erbgut zu speichern, ist nicht neu. Bereits 1988 gelang die erste Datenspeicherung in einem DNA-Strang. Seitdem wurde viel experimentiert: Digitale Beethoven-Partituren, Sonette von Shakespeare und Martin Luther Kings berühmte Rede „I have a dream“, alle fanden sie den Weg vom Datenpaket ins Erbgut. Die Innovation der amerikanischen Forscher Seth Shipman und George Church ist zwar naheliegend, aber komplex: Erstmals speicherten sie Daten in lebenden Darmbakterien. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler am Mittwoch, 12. Juli. Ihre Methode samt der eingelesenen Daten zeigt dieses Video:

 

 

Foto oder Video in die DNA einsetzen

Die DNA ist ein gigantischer Datenspeicher. Allerdings für biologische Informationen. Sie enthält die komplexen Informationen jedes Lebewesens. Vereinfacht kann man sich die DNA als eine lange Kette vorstellen, die in Form einer Doppelhelix in jedem Menschen, Tier oder Organismus vorliegt. Die Kette kann man in einzelne Glieder unterteilen. An jedem Glied sitzt einer von vier verschiedenen Bausteinen – abgekürzt mit A, T, G und C. Aus der Abfolge dieser Bausteine ergibt sich je nach Anordnung der spezifische genetische Code des Lebewesens. Er bestimmt über Aussehen und körperliche Eigenschaften.

Wenn die DNA nun künstlich im Labor hergestellt wird, können die vier Bausteine beliebig angeordnet werden. Forscher können sich also aussuchen, welche Information sie codieren möchten und ordnen dementsprechend die Bausteine an. Sollen jetzt digitale Informationen wie die Daten einer Filmsequenz oder eines Fotos in der DNA gespeichert werden, müssen zunächst die digitalen Datenpakete in das „natürliche Alphabet“ der DNA übersetzt werden.

„Ein digitales Foto ist letztlich – wie jede andere Datei am Computer – eine Sequenz aus Nullen und Einsen, eine Binärsequenz“, erklärt die Bioinformatikerin Dr. Franziska Hufsky von der Universität Jena. Die vier Buchstaben des DNA-Codes müssen also in Nullen und Einsen umgewandelt werden. Die Übersetzung ist  jedoch recht einfach, meint Hufsky. Zum Beispiel für die Zahl 105: „Im Binärsystem – als ein Byte – dargestellt ist das 01101001, im Quartärsystem 1221. Und für A=0, C=1, G= 2 und T=3 erhalten wir die DNA-Sequenz CGGC“, beschreibt die Bioinformatikerin. 

Foto: Mara Leurs/Canva


Problem der DNA-Speicher: Sie sind teuer und fehleranfällig

Die DNA-Speicher haben allerdings auch ihren Preis. Um die Sequenzen zu erzeugen, die eine bestimmte Information repräsentiert, gibt es verschiedene Wege: Die künstliche Herstellung im Labor ist relativ langsam und teuer. Die günstigere Variante: „Man verwendet bereits existierende DNA, die man aus möglichst großen Stücken so zusammensetzt, wie man sie braucht, indem man Teile aus existierenden Genomen ausschneidet und zusammenklebt“, sagt Prof. Dr. Sven Rahmann von der Universität Duisburg-Essen. „Trotzdem ist das heute noch sehr unpraktikabel. Aber so war das ja damals auch mit den ersten Computern. Bisher sind Einbringen und Auslesen der Daten trotz neuer Technologien noch ziemlich umständlich. Aber gewiss wird sich das im Laufe der Zeit ändern.“, meint Rahmann.

Foto: Sven Rahmann

Als größten Vorteil der DNA-Speicher nennt Fransizka Hufsky die sehr lange Lebensdauer und die geringe Größe der DNA. Mit bloßem Auge kaum sichtbar, enthält sie Massen an Informationen. Mit ihrer Speicherkapazität überbietet sie alle anderen Speichermedien – USB-Sticks oder Festplatten können bei den digitalen Datenmassen, die von Menschen angesammelt werden, nicht mehr mithalten.

Doch weder Hufsky noch Rahmann können sich vorstellen, dass DNA-Speicher bald USB-Sticks auf jedem Schreibtisch ersetzen. Denn es gibt einen entscheidenden Nachteil: „Sie ist ziemlich fehleranfällig. Wenn man Daten in der DNA lebender, sich entwickelnder Organismen speichert, verändern sich die Daten über längere Zeiträume.“, sagt Rahmann. Das gleiche Problem hatten auch die beiden amerikanischen Forscher Shipman und Church bei ihrer Studie. Trotz leichter Abweichungen stimmten die aus der Bakterien-DNA gelesenen Informationen immer noch zu mehr als 90 Prozent mit den Originaldaten überein.

DNA als Konkurrenz zum USB-Stick denkbar?

Die Haltbarkeit der DNA als Informationsträger hat sich bisher als zuverlässig erwiesen. Obwohl sie anfällig für Kopierfehler ist, lässt sie sich auch noch nach mehreren Tausend Jahren wieder rekonstruieren. So konnte beispielsweise vor einigen Jahren das Erbgut der Neandertaler wiederhergestellt werden. Eine externe Festplatte ist hingegen nach spätestens 10 Jahren veraltet und muss ausgetauscht werden, damit die Daten nicht verloren gehen.
An der Genauigkeit der DNA-Speicher werden Forscher in Zukunft weiter arbeiten. Theoretisch reproduzieren die Bakterien die Daten durch Zellteilung, aber eben mit einigen Fehlern. Langfristig können Informationsstücke verloren gehen oder durch andere Informationen ersetzt werden. Um nach einigen Generationen nicht nur noch kleine Teile der Nachricht erkennen zu können, müssen Forscher es also schaffen, die Bakterienpopulation zu stabilisieren. Die Studie von Shipman und Church kann also als Grundlage für weitere Forschungsarbeiten dienen. Klar ist, dass die DNA als Alternative zum technisch sicheren USB-Stick nicht taugt – sie ist zwar langlebig, aber nichts für zu Hause. Allerdings könnten DNA-Speicher in Zukunft für besonders langfristige Datenarchive genutzt werden, auf die nicht häufig zugegriffen werden muss.

Beitragsbild: flickr.com/HCC Public Information Office

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