Digital war gestern

Genombuch Wissenschaftler haben das erste Buch in Form von DNA gespeichert. Durch ihre dreidimensionale Struktur ist DNA digitalen Speichermedien haushoch überlegen

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler den Inhalt eines ganzen Buches in Form einer Erbgut-Sequenz kodiert. Mit 53.000 Wörtern, elf Bildern und einem nicht näher spezifizierten Computerprogramm handelt es sich hierbei um die größte Datenmenge, die bislang auf diese Weise gespeichert wurde. Den Forschern zufolge sinken die Kosten des Verfahrens so schnell, dass es in fünf bis zehn Jahren billiger sein könnte, Informationen in DNA zu speichern als auf herkömmlichen digitalen Speichermedien. Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. DNA) – der Stoff, der die genetischen Informationen in nahezu allen bekannten Organismen aufbewahrt – verfügt über eine beeindruckende Speicherkapazität. Ein Gramm kann bis zu 455 Milliarden Gigabyte speichern: soviel, wie auf 100 Milliarden DVDs passt, und macht die Chemikalie somit zum ultimativen Speichermedium.

Ein dreiköpfiges Team unter der Leitung von Professor George Church von der Harvard Medical School hat nun gezeigt, dass die Technologie zur Speicherung in DNA zwar immer noch langsam ist, aber immer besser angewendet werden kann. Im Fachmagazin Science berichten sie, die 5, 27 Megabit starke Datensammlung, die sie gespeichert haben, sei 600 Mal größer als die größte bislang kodierte Datenmenge. Es dauerte mehrere Tage, um die Daten in die DNA einzuschreiben. „Im Moment eignet sich das Verfahren nur für die Archivierung“ , erklärt Ko-Autor Dr. Sriram Kosuri vom Wyss Institute der Universität Harvard, „aber der Zeitaufwand wird immer geringer.“

Tausende von Jahren lesbar

DNA hat zahlreiche Vorteile gegenüber traditionellen Speichermedien. Sie kann leicht kopiert werden und ist selbst unter nicht optimalen Bedingen oft noch nach tausenden von Jahren lesbar. Anders als die Archivierung auf elektronischen Datenträgern wie Magnetband und DVD, die ständigen Änderungen unterworfen ist, sind die grundlegenden Verfahren zum Lesen und Schreiben von DNA-Informationen so alt wie das Leben auf der Erde selbst.

Um ihr Verfahren zu demonstrieren, haben die Wissenschaftler einen vorläufigen Patentantrag verfasst, in dem sie die Idee festgehalten haben. Um die Methode so zuverlässig wie möglich zu machen und die Kosten gering zu halten, vermieden sie, sehr lange DNA-Fäden zu erstellen, da das wesentlich aufwendiger und teurer ist, als viele kleine Einheiten zu verwenden. Die Daten wurden in Fragmente aufgeteilt, die sehr leicht zu schreiben waren, und mit einer Adresssequenz ergänzt, aus der beim Auslesen des Codes die Position des einzelnen Fragments im Gesamtzusammenhang hervorgeht.

Digitale Daten werden traditionell mithilfe des binären Codes gespeichert: Nullen und Einsen. Obwohl DNA die Möglichkeit bietet, vier „Ziffern“ zu verwenden A, C, G und T, entschloss sich Churchs Team zur Minimierung von Fehlern an der binären Codierung festzuhalten: A und C standen dabei beide für Null, während G und T die Eins repräsentierten. Die Sequenz der künstlichen DNA wurde Buchstabe für Buchstabe als verschlüsselte Kette aus As, Cs, Ts und Gs erstellt..

Das Team entwickelte ein System, bei dem ein Tintenstrahldrucker kurze Sequenzen der künstlich synthetisierten DNA auf einen Glaschip aufträgt Jedes DNA-Fragment enthält auch einen digitalen Adresscode, der darüber Auskunft gibt, wo es innerhalb der Originaldatei zu finden ist.

Die Fragmente auf dem Chip können später mithilfe der Standardtechniken „gelesen“ werden, mit denen auch die uralten DNA-Sequenzen entschlüsselt werden, die in archäologischem Material sichergestellt werden können. Ein Computer kann dann mithilfe der Adresscodes das Originaldokument wieder in die richtige Ordnung bringen.

Keine lebendigen Organismen

Dem Buch wurden auch Bilder hinzugefügt, um die Vielseitigkeit dieses Speichermediums aufzuzeigen. DNA kann deswegen so viele Informationen speichern, weil sie im Gegensatz zu allen anderen avancierten Speichermedien dreidimensional ist.

Lebendige Organismen wurden nicht verwendet, da dies möglicherweise zu unnötigen Komplikationen geführt und Risiken beinhaltet hätte. Die biologische Funktion einer Zelle könnte in Mitleidenschaft gezogen werden und Teile der DNA, die von der Zelle nicht benutzt werden, könnten abgestoßen werden oder mutieren. „Wenn das Ziel darin besteht, Informationen zu speichern, dann besteht keine Notwendigkeit, eine Zelle zu verwenden“, so Kosuri.

Dass die Daten nicht überschrieben werden können, dürfte in Anbetracht der Speicherkapazität nicht sonderlich ins Gewicht fallen. Der Versuch verlief zwar nicht gänzlich fehlerfrei, aber von den 5, 27 Millionen gespeicherter Bits wurden nur zehn gefunden, die falsch waren. Das Team geht davon aus, dass in Zukunft die gewöhnlichen Fehlersuch-Techniken angewendet werden können, einschließlich multipler Kopien derselben Information, anhand derer Fehler leicht identifiziert werden können.

Die Kosten des Verfahrens sind noch nicht konkurrenzfähig, um DNA zu einem Speichermedium für alle zu machen. Aber die Kosten der notwendigen Tools sinken wesentlich schneller als die der elektronischen Pendants. Zum Beispiel kommen gerade tragbare DNA-Lesegeräte auf den Markt, was den Autoren zufolge die Speicherung von Informationen in DNA stark vereinfachen sollte.

Kosuri geht davon aus, dass diese revolutionäre Entwicklung in der DNA-Forschung anhält: „Vielleicht werden wir gegen eine Wand stoßen. Aber es gibt keinen Grund dafür, warum es nicht weitergehen sollte.“

Übersetzung: Holger Hutt
08:05 23.08.2012
Geschrieben von

Geraint Jones | The Guardian

Der Freitag ist Syndication-Partner der britischen Tageszeitung The Guardian
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