Theoretisch könnte ein einziges Gramm DNA 210 Millionen Terabyte Daten speichern, was gleich vielen Festplatten mit heute üblicher Grundkapazität entspricht. Die Daten darauf blieben während Hunderttausenden von Jahren lesbar, gegenüber höchstens einigen Jahrzehnten Haltbarkeit bei heutigen digitalen Speichermedien. Diese Kompaktheit und Beständigkeit macht aus DNA einen attraktiven Langzeitspeicher-Kandidaten. Daran arbeiten Robert Grass und Wendelin Stark, zwei Forscher der ETH Zürich. Diesen Sommer brachten ihnen ihre Arbeiten den European Inventor Award des Europäischen Patentamts ein.
European Patent OfficeWendelin Stark (links) und Robert N. Grass wurden für ihre Methode der DNA-Datenspeicherung im Juni 2021 mit de Europäischen Erfinderpreis ausgezeichnet.
Es ist einfach, digitale Daten mit DNA darzustellen: Binärer Code wird in quaternären Code umgeschrieben – mit den Buchstaben A, G, C und T für die DNA-Basen. Konkret steht dann A für 00, G für 10, C für 01 und T für 11.
«Die langfristige Lagerung der DNA wurde mit dieser Methode erstmals wirklich umgesetzt.»Dina Zielinski, Bioinformatikerin
Eine Herausforderung ist jedoch die Lagerung. DNA bleibt nur unter bestimmten Bedingungen stabil – ohne Luft und Sauerstoff. Es hat sich jedoch gezeigt, dass DNA in fossilen menschlichen Zähnen auch nach einer Million Jahre noch lesbar ist. Davon inspiriert, haben die Zürcher Forscher das Molekül in Nanopartikel aus Glas gepackt. «Glas ist das ideale Verpackungsmaterial», erklärt Grass. «Wir können es im Nanometerbereich bearbeiten, und es reagiert nicht mit DNA.» Das Ergebnis ist ein gräuliches Pulver. Um die DNA lesen zu können, muss sie zunächst wieder aus der Matrix befreit werden. Dazu tauchen die Forscher die Nanopartikel in eine Fluoridlösung, die das Glas zersetzt. Dadurch wird die DNA freigesetzt und lesbar.
Dieses Verfahren funktioniert allerdings nur einmal: Wenn das Glas aufgelöst ist, bildet es sich nicht neu. «Deshalb ist diese Methode für die langfristige Speicherung geeignet», so Grass. «Bestimmte Bibliotheksbestände oder rechtliche Archive werden nicht oft konsultiert. Hier kommen die Vorteile der DNA gegenüber herkömmlichen Medien zum Tragen.»
Unsichtbare Etiketten
«Diese Arbeiten sind wegweisend: Der wichtigste Vorteil der Speicherung von Daten mit DNA ist die langfristige Lagerung, was mit dieser Methode erstmals wirklich umgesetzt wurde», erklärt Dina Zielinski, Bioinformatikerin am Institut national de la santé et de la recherche médicale in Frankreich, die nicht an den Zürcher Forschungsarbeiten beteiligt war.
Die ETH-Forscher entwickeln eine weitere Anwendung, die vielleicht noch erstaunlicher ist. Ihr Start-up Haelixa verwendet einen DNA-Barcode, mit dem sich die Lieferkette von Textilien rückverfolgen lässt – von der Gewinnung der Fasern bis zum Fertigprodukt. Mit diesen unsichtbaren Etiketten könnte auch die Herkunft zahlreicher anderer Produkte verifiziert werden. Das Hauptziel bleibt aber die Speicherung sehr grosser Datenmengen über sehr lange Zeit.
«Solange wir aus DNA gemacht sind, werden wir einen Weg finden, sie zu lesen», ist Grass überzeugt. «Ich bin fasziniert davon, dass wir mit unserer Technologie Informationen bis in eine sehr ferne Zukunft bewahren können. Fehlt nur der Dechiffrierungsschlüssel. Es ist, wie wenn ein JPEG-Foto ausgehend vom binären Code rekonstruiert werden müsste. Das ist kompliziert, aber möglich.»
«Wir müssen noch das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten, Geschwindigkeit und Präzision finden.»Robert Grass, Chemieingenieur
In naher Zukunft möchte das Team die Technologie der DNA-Synthese optimieren. Bisher sind die Verfahren langsam und kostspielig – die Wissenschaft überlässt diesen Schritt spezialisierten Unternehmen. «Die biomedizinische Industrie liefert sehr genaue DNA-Sequenzen, was in ihrem Bereich sinnvoll ist. Aber bei digitalen Daten können die Dekodierer einen Grossteil der Fehler korrigieren. Für uns wäre ein weniger präzises, dafür schnelles und günstiges Synthesesystem ideal.»
Für das Lesen verwenden die Forscher im Moment handelsübliche Sequenziergeräte. «Diese Maschinen benötigen aber eine ganze Nacht, bis sie sich durch ‹Krieg und Frieden› geackert haben», erklärt Grass. «Die Technologie wird zwar ständig verbessert, aber noch ist das zu langsam.» Er ist zuversichtlich, dass bald kostengünstigere Technologien zur Verfügung stehen. «Wir müssen noch das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten, Geschwindigkeit und Präzision finden. Irgendwann könnte diese Lösung aber allen offen stehen – selbst zu Hause.»
Horizonte Magazin
