Millionen Stunden HD-Videos in einer Kaffeetasse

Forscherteam entwickelt Verfahren zur Datenspeicherung mit Erbinformationen

| Redakteur: Nico Litzel

Nick Goldman vom EMBL-EBI mit der synthetisierten DNA.
Nick Goldman vom EMBL-EBI mit der synthetisierten DNA. (Foto: EMBL Photolab)

Wissenschaftler des am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EML) angesiedelten European Bioinformatics Institute (EBI) haben eine Methode entwickelt, Daten mithilfe von DNA (Desoxyribonukleinsäure) zu speichern.

Nach Angaben der Forscher ermöglicht das neu entwickelte Verfahren die Speicherung von „mindestens 100 Millionen Stunden“ an hochauflösendem Videofilm in einer Menge DNA, die in eine Kaffeetasse passt.

„Wir wissen bereits, dass DNA ein äußerst robustes Speichermedium ist, denn wir können sie aus den Knochen des Wollmammuts extrahieren, die mehrere zehntausend Jahre alt sind und sie enthält immer noch sinnvolle Informationen”, erläutert Nick Goldman vom EMBL-EBI. „Außerdem ist sie unglaublich winzig und besitzt eine hohe Dichte. Und sie braucht zur Speicherung keine Energie, was Transport und Lagerung natürlich stark vereinfacht.”

Das Auslesen von Erbinformationen ist mittlerweile relativ unkompliziert, aber das Schreiben war nach Angaben des EML-EBI bislang ein Problem, denn dabei gäbe es zwei Herausforderungen: Zum einen erlaubten bisherigen Verfahren nur die Synthese von relativ kurzen DNA-Strängen. Zum anderen seien sowohl das Lesen als auch das Schreiben fehleranfällig – insbesondere dann, wenn wenn sich eine der vier Nukleinbasen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) oder Thymin (T) mehrmals wiederholt. Nick und sein Mitautor Ewan Birney, stellvertretender Direktor am EMBL-EBI, haben nun einen Code entwickelt, der beide Probleme angeht.

Sich überlappende Fragmente bringen den Durchbruch

„Wir waren uns bewusst, dass wir für unseren Code lediglich kurze DNA-Stränge verwenden durften. Außerdem musste er so beschaffen sein, dass eine Wiederholung desselben Buchstabens praktisch ausgeschlossen war. Deshalb kamen wir auf die Idee, den Code in eine Reihe sich überlappender Fragmente aufzubrechen, die sich in beide Richtungen erstrecken. Positionsinformation zeigen an, wo das jeweilige Fragment im Code seinen Platz hat. So entsteht eine Kodierung, die keine Wiederholungen zulässt. Das heißt, derselbe Fehler müsste in vier verschiedenen Fragmenten auftreten, um wirklich Schaden anzurichten – und dies ist extrem selten”, erläutert Birney.

Die neue Methode erfordert eine Synthetisierung von DNA aus der verschlüsselten Information. Dabei kam dem Forscherteam das kalifornische Unternehmen Agilent Technologies zu Hilfe: Birney und Goldman sendeten verschlüsselte Versionen von Martin Luther Kings Rede „I have a dream”, eine .jpg-Aufnahme des EMBL-EBI, eine .pdf-Datei mit der bahnbrechenden Veröffentlichung „Molecular structure of nucleic acids” der beiden DNA-Pioniere Watson und Crick sowie eine .txt-Datei mit den Sonetten Shakespeares nach Kalifornien – zusammen mit einer Datei, in der die Verschlüsselung beschrieben wird.

Fehlerfreie Dekodierung gelingt

„Wir haben die Dateien aus dem Web heruntergeladen und damit mehrere hunderttausend DNA-Teilchen synthetisiert – das Ergebnis sieht aus wie eine winzige Menge Staub”, erklärt Emily Leproust von Agilent. Agilent schickte die Probe ans EMBL-EBI, wo es den Wissenschaftlern gelang, die DNA zu sequenzieren und die Dateien fehlerfrei zu dekodieren.

„Wir haben einen fehlertoleranten Code entwickelt, der sich einer molekularen Form bedient, von der wir wissen, dass sie unter günstigen Bedingungen 10.000 Jahre oder länger halten kann”, fasst Nick Goldman zusammen. „Solange es jemanden gibt, der den Code kennt, wird man ihn lesen können – falls man im Besitz einer Maschine ist, die DNA lesen kann.”

Obwohl es noch eine Reihe praktischer Probleme zu lösen gäbe, gelte die DNA aufgrund ihrer Dichte und Langlebigkeit bereits jetzt als attraktives Speichermedium. Nach Auskunft der Forscher besteht der nächste Schritt nun darin, die Kodierung zu perfektionieren und die praktischen Probleme zu lösen, um das DNA-Speichermodell wirtschaftlich rentabel zu machen

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