DNA als Datenspeicher - kann das funktionieren?

  • Millionen Tweets, Milliarden E-Mails: Tagtäglich produzieren wir Unmengen an Daten.
  • Doch wohin damit? Die Speicherkapazitäten üblicher Festplatten können da nicht mithalten.
  • Forscher arbeiten an Verfahren, DNA für das Speichern zu nutzen.
Christian Honey
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Rund 500 Millionen Tweets, 294 Milliarden E-Mails, 65 Milliarden Whatsapp-Nachrichten: So viele Daten produziert die Menschheit laut einer Auswertung des Weltwirtschaftsforums allein auf diesen drei Kommunikationskanälen – jeden Tag. Hinzu kommen all die Facebook-Posts, Fotos und Videos in der Cloud und vieles mehr. Insgesamt, so die Schätzung, werden wir im Jahr 2025 täglich 463 Milliarden Gigabyte an Daten generieren – und speichern.

Aber wohin damit? Die Speicherdichte und Zahl traditioneller Festplatten steigt schon lange nicht mehr so schnell wie unsere Datenberge. Werden wir unsere gespeicherten Daten etwa ausmisten müssen wie einst das überfüllte Fotoalbum aus Pappe? Vielleicht nicht. Denn es gibt ein Molekül, das die Grenzen der Speicherbarkeit radikal verschieben könnte. Es lebt in jeder Zelle unseres Körpers und trägt unsere gesamte Erbinformation seit Jahrmillionen zuverlässig von einer Generation zur nächsten: DNA.

Erbgut ist ein Meister der Speicherkapazität

Tatsächlich ist unser Erbgut ein Meister der Speicherkapazität. In einem Gramm DNA kann man, mit etwas genetischer Expertise, rund 455 Exabyte, also eine extrem große Menge, unterbringen. Das hat eine Studie der US-amerikanischen Harvard Universität bereits im Jahr 2012 gezeigt. Und nicht nur das: Schon Anfang der Neunzigerjahre hatte der Informatiker und Molekularbiologe Leonard Adleman von der University of Southern California nachgewiesen, dass man mit DNA auch logische Schritte, also Programme, ausführen kann. Das ist die Voraussetzung für eine Suche in gespeicherten Daten. Heute arbeiten Ingenieure an „Festplatten“ und sogar an neuronalen Netzen aus DNA – mit vielversprechenden Ergebnissen.

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Zu den Pionieren dieser neuartigen Informationstechnologie gehören Lulu Qian und Erik Winfree vom California Institute of Technology in Pasadena (Caltech). Im Jahr 2011 stellten die beiden in der Fachzeitschrift „Science“ einen Ansatz vor, wie man mit DNA einfache Programme ausführen könnte. Im Zentrum stand dabei eine Eigenschaft, die unser Erbmolekül so langlebig und stabil macht: die Tendenz, sich zu Doppelsträngen zusammenzufügen wie ein Reißverschluss.

Anders als bei einem Kleidungsstück passen aber nicht alle Stränge gut aneinander. Im Gegenteil, es gibt besser und schlechter passende Sequenzen und auch solche, die sich gar nicht aneinander binden können. Wenn ein Strang nun von einem schlecht passenden besetzt ist und ein besser passender des Weges kommt, ersetzt der bessere den schlechteren Partnerstrang. Dieses Prinzip machten sich Qian und Winfree zunutze. Sie entwickelten DNA-Einzelstränge aus zwei aufeinanderfolgenden DNA-Sequenzen, von denen eine mit einem Partnerstrang besetzt ist. Allerdings so, dass die zweite Sequenz nur dann einen Partner binden konnte, wenn die erste von einem besseren Partner abgelöst wird.

Darin steckt bereits eine einfache logische Operation: Wenn ein besserer Partnerstrang die erste Sequenz befreit, dann kann die zweite Sequenz aktiv werden. Da dieser Prozess auch umkehrbar ist, tauften Qian und Winfree ihn Kippschalter. Wenn man erst einmal solche logischen Operationen geschaffen hat, kann man diese zu nahezu beliebigen Schaltkreisen verketten und damit Programme schaffen. Und genau das taten die Forscher in ihren Experimenten.

Hirnähnliches Verhalten im Reagenzglas

Zum Beispiel zeigten sie, dass sich damit Wurzeln aus Binärzahlen ziehen lassen, also aus jenen Nullen und Einsen, mit denen Computer arbeiten. Dabei diente eine DNA-Strangmischung gewissermaßen als wartendes Programm und eine zweite, kleinere Mischung als Input, der sprichwörtlich in das Programm gekippt wurde. Als Resultat der Berechnung dienten die nach allen Ersetzungsreaktionen freigesetzten DNA-Stränge ohne Partner, die dann von fluoreszierenden Markierungsmolen gebunden werden konnten. In späteren Fachartikeln zeigten die Forscher, dass sich auf diese Weise sogar einfache neuronale Netze aus DNA schaffen lassen.

Das war ein erster Nachweis für hirnähnliches Verhalten im Reagenzglas. Allerdings ließen sich noch keine beliebig großen Schaltkreise für neuronale Netze aus DNA zusammenkippen. Das Problem dabei war: Das fluoreszierende Output-Muster begann bei einer zu großen Zahl von DNA-Molekülen zu verschwimmen. Doch auch dieses Limit haben Qian und Winfree mittlerweile gelöst. Dabei inaktivieren sich die Output-Moleküle gegenseitig. Das führt dazu, dass pro Resultat der Berechnung immer nur eines übrig bleibt und so das Output-Muster wieder klar zu erkennen war. Mit diesem Ansatz gelang es den Caltech-Forschern sogar, ein Netzwerk aus 132 Kippschaltern zu schaffen, das handgeschriebene Zahlen so gut klassifizieren konnte wie ein Mensch.

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Bilder können schon in DNA gespeichert werden

Allerdings mussten die DNA-Stränge bei diesen frühen Experimenten noch einzeln hergestellt werden, bevor sie am Ende in der rechnenden DNA-Suppe landeten. Um diese Technologie jedoch sinnvoll nutzbar zu machen, bräuchte es eine Möglichkeit, digitale Daten in DNA zu übersetzen und umgekehrt. Im vergangenen Jahr berichtete eine Forschergruppe, die sich aus Mitarbeitern von Microsoft Research und der Universität Washington zusammensetzte, im Fachjournal „Scientific Reports“ von einem voll automatisierten Aufbau, mit dem sie je fünf Bytes an Daten in DNA schreiben, speichern und wieder auslesen konnten. Mit diesem Prototypensystem gelang es den Forschern die fünf Bytes umfassende Nachricht „HELLO“ (01001000 01000101 01001100 01001100 01001100 01001111) in Bits zu speichern und wieder abzurufen. Allerdings war von 30 in DNA gespeicherten Worten nur eines auslesbar.

„Wir können heute DNA lesen und schreiben, und wir können Informationen über lange Zeit in DNA speichern“, sagt Rob Carlson, Mitarbeiter der Washingtoner Forschergruppe. Kürzlich sei es seinen Kollegen gelungen, Bilder in DNA zu speichern und mit einer Bildersuche wieder aus der DNA-Suppe zu fischen – und zwar mit einer Methode, die der von Qian und Winfree ähnelt.

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„Was wir jetzt noch lernen müssen ist DNA viel schneller zu schreiben“, sagt Carlson. Er habe die Idee von DNA-Computern und Speichern anfangs selbst für „irre“ gehalten. Heute sei er überzeugt, dass die Technologie nicht nur möglich ist, sondern unausweichlich.

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