Mit DNA schreiben

Möglichkeiten der Doppelhelix

SWR2 Wissen. Von Michael Lange. Internetfassung: Charlotte Grieser & Ralf Kölbel

Archive und Bibliotheken weltweit ächzen unter der Last der sich ständig vergrößernden Datenmenge. Digitale Speicher sind aber keine dauerhafte Lösung, da sie immer wieder erneuert und aktualisiert werden müssen. Archivare träumen daher von einem universellen Datenträger, der wenig Platz braucht und auch nach hundert, tausend oder mehr Jahren fehlerfrei lesbar ist. Die Natur kennt einen solchen Informationsspeicher: die DNA.

Modell einer Doppelhelix

Strukturmodell der menschlichen DNA

Das Erbmolekül Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, bietet die Möglichkeit, unendlich viele Varianten von Informationen zu speichern. In unseren Zellkernen codiert die DNA unser Erbgut. Wissenschaftler benutzen sie nun, um andere Informationen zu speichern. Inzwischen produzieren Firmen Geräte, die solch biologischen Erbinformationen lesen können. Drei Milliarden Basen auslesen dauert etwa einen Tag und kostet um die 1.000 Euro.

Die DNA als Code

Das besondere an der DNA ist ihr universeller Code - er ist gleich bei allen Lebewesen auf der Erde. Die äußerst stabile Grundstruktur der DNA nennt sich Doppelhelix. Zwei Stränge aus Zucker und Phosphat  formen eine in sich verdrehte Strickleiter. Vier Basen - Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin - bilden die Leitersprossen der Doppelhelix. Genau wie die 26 Buchstaben unseres Alphabets oder die Null und die Eins im digitalen Computercode verschlüsseln sie eine Information.

Kind spielt mit Bauklötzen

Wie mit Bauklötzen

Wie Bauklötze

In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler gelernt, diese Erbinformation zu lesen. Mensch, Maus, Katze, Hund und mehr als hundert weitere Tier- und Pflanzenarten haben Wissenschaftler vollständig entschlüsselt. Buchstabe für Buchstabe. Über zweitausend Menschen kennen bereits ihre vollständige Erbinformation. Und nun beginnt die zweite Karriere der DNA: Das Schreiben. Wer DNA künstlich herstellen kann, kann damit Texte verschlüsseln, Wertgegenstände kennzeichnen oder bauen mit einer Art Nano-Baukasten.

Die Idee, DNA als Informationsspeicher zu nutzen, hatten Nick Goldman und Ewan Birney vom Europäischen Bioinformatik Institut. Besonders wichtig ist, dass DNA extrem klein ist. Viel Information lässt sich auf engstem Raum speichern, außerdem ist sie sehr stabil und die Lagerung ist Eeinfach: DNA braucht lediglich Dunkelheit und kühle Temperaturen. Ganz neu ist die Idee, DNA künstlich herzustellen, aber nicht. Es gibt bereits Biotechnologiefirmen, die künstliche DNA auf Bestellung liefern. Marktführer ist ein Unternehmen im ostbayerischen Regensburg. Es heißt GeneArt. Hier reihen Maschinen die DNA-Bausteine mit den vier Basen hintereinander, so dass ein langer Informationsfaden entsteht. Um die steigende Nachfrage nach künstlich zusammen gesetzter DNA zu befriedigen, hat GeneArt die Gen-Produktion immer weiter automatisiert.

Der Kunde, meist ein Wissenschaftler, bestellt vom heimischen Computer aus eine konkrete Reihenfolge genetischer Buchstaben: Eine DANN-Sequenz für ein Gen oder einen Genabschnitt. Immer häufiger brauchen Forscher solche genau definierten Bereiche des Erbmoleküls: in der Krebsforschung, bei der Medikamentenentwicklung oder in der Biotechnologie. Sie verlassen sich darauf, dass schon nach wenigen Tagen die bestellte DNA-Lieferung aus Regensburg eintrifft.

Ein Sound aus DNA

Nick Goldman will  eigene Informationen in den biologischen Datenträger DNA hineinpacken - eine vom Menschen geschaffene digitale Information. Dazu braucht er einen Übersetzungsschlüssel, der Nullen und Einsen einer Computerdatei in einen Vierercode aus A, C, G und T übersetzt. Im Computer besteht ein byte aus acht bits, also acht Nullen und Einsen. Daraus ergeben sich 256 Möglichkeiten pro byte. Ein solches byte speichert unser Code in Form von fünf oder sechs DNA-Basen. Das gibt genügend Spielraum, um jede digitale Computer-Datei zu verschlüsseln. Die Bioinformatiker aus Cambridge  entwickelten eine Codierungstabelle, die so angelegt ist, dass sie keine Wiederholungen zulässt. Außerdem bildet der Code Überlappungen, so dass Fehler sofort auffallen und korrigiert werden können.

zwei Kabel hängen vor einem Hintergrund von Binärcodes

Binärcodes können in DNA übersetzt werden

Um ihre Verschlüsselung zu testen und um das Verfahren zu erproben, wollten sie vier einfache Computer-Dateien als DNA abspeichern: einen Text, ein pdf, ein Bild und eine Sounddatei. Die Computerdaten wurden in den DNA-Code übersetzt und per email an eine DNA-Synthese-Firma in den USA geschickt. Was von dort zurückkam, war nicht mehr als ein kleines Plastikgefäß aus Kunststoff mit einem Staubkorn aus DNA darin. Dieses schickten die britischen Forscher gleich weiter an das Europäische Molekularbiologie-Labor EMBL nach Heidelberg. Zehn Tage brauchten die Entschlüssler, um die Millionen DNA-Buchstaben möglichst fehlerfrei zu entziffern. Dann lieferten sie eine Reihenfolge von Basen an die Bioinformatiker vom EBI in Cambridge zurück. Die kannten die Verschlüsselung und übersetzten die DNA zurück in einen Computercode aus Nullen und Einsen. Und der ergab dann wieder einen Sinn. Sogar im MP3-Player ließ sich eine Datei abspielen. Fehlerfrei.

Ein umständliches Archiv - noch

DNA ist gut geeignet, wenn man eine Information möglichst lange aufbewahren will. Allerdings kann man nicht schnell darauf zugreifen - die Entschlüsselung dauert. Was noch fehlt, ist also ein System, um die Daten so zu archivieren, dass man  jeder Zeit an sie herankommt. Noch ist das zu umständlich. Zur Lagerung würde die DNA gefriergetrocknet. Um sie zu lesen, müsste sie dann wieder in Flüssigkeit gelöst werden. Eine funktionierende DNA-Bibliothek zu entwickeln, ist eine Aufgabe für die nächsten Jahrzehnte. Das erste Buch für die DNA-Bibliothek ist schon fertig. 2013 haben Wissenschaftler der Harvard Medical School in Boston ein 400 Seiten Sachbuch in Erbmoleküle übersetzt. Es heißt: Regenesis: Wie die synthetische Biologie die Natur und uns selbst neu erfindet.

Stand: 18.03.2014, 16.06 Uhr