03.09.2020 - Technische Universität München

TV-Serie „Biohackers“ auf DNA gespeichert

Synthetische Erbsubstanz als stabiles Speichermedium - für über 1000 Jahre

Die erste Folge der neu erschienenen TV-Serie „Biohackers“ wurde in Form von synthetischer DNA gespeichert. Möglich macht das die Forschungsleistung von Professor Reinhard Heckel von der Technischen Universität München (TUM) und seines Kollegen Professor Robert Grass von der ETH Zürich. Sie haben eine Methode entwickelt, die das Speichern großer Datenmengen auf DNA für über 1000 Jahre stabil macht.

Herr Prof. Heckel, in „Biohackers“ geht es um eine Medizinstudentin, die sich an einer Professorin mit dunkler Vergangenheit rächen will – und um die Manipulation von DNA durch den Einsatz von Biotechnologie. Sie hatten den Auftrag, den Inhalt der Serie auf DNA zu speichern. Wie funktioniert so etwas?

Zunächst sprechen wir hier von künstlich generierter, also synthetischer DNA. DNA besteht aus vier Bausteinen: den Nukleotiden Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Computer-Daten sind wiederum als Nullen und Einsen kodiert. Die erste Folge von „Biohackers“ besteht aus einer Reihung von etwa 600 Millionen Nullen und Einsen. Wollen wir jetzt beispielsweise die Reihe 01 01 11 00 in DNA speichern, legen wir fest, welche Zahlenkombination welchem Buchstaben entspricht, etwa: 00 ist A, 01 ist C, 10 ist G und 11 ist T. In unserem Beispiel ergibt sich dann die DNA-Sequenz CCTA. Nach diesem Prinzip des DNA Data Storage haben wir die erste Folge der Serie auf DNA gespeichert.

Und um die Serie abspielen zu können, werden die Buchstaben einfach „zurückübersetzt“?

So kann man sich das – sehr vereinfacht – vorstellen. Allerdings passieren beim Schreiben, Speichern und Lesen der DNA Fehler. Werden diese Fehler nicht korrigiert, gehen die Daten, die auf der DNA gespeichert sind, verloren. Um das Problem zu lösen, habe ich einen Algorithmus entwickelt, der auf Kanalkodierung basiert. Kanalkodierung beschäftigt sich damit, Fehler, die bei der Informationsübertragung passieren, zu korrigieren. Die Idee dahinter ist, den Daten Redundanz hinzuzufügen. Stellen Sie sich Sprache vor: Wenn wir ein Wort mit fehlenden oder falschen Buchstaben lesen oder hören, schafft es die Rechenleistung unseres Gehirns trotzdem, das Wort zu verstehen. Der Algorithmus folgt dem gleichen Prinzip: er encodiert die Daten so redundant, dass später auch von sehr fehlerhafter DNA Daten wiederhergestellt werden können.

Kanalkodierung wird in vielen Gebieten, auch in der Telekommunikation eingesetzt. Was war die Herausforderung bei der Entwicklung Ihrer Lösung?

Die erste Herausforderung war, einen Algorithmus zu schaffen, der spezifisch für die in DNA vorkommenden Fehler ausgelegt ist. Die zweite bestand darin, den Algorithmus so effizient zu machen, dass möglichst viele Daten auf einer möglichst kleinen Menge DNA gespeichert werden können, und somit nur absolute notwendige Redundanz hinzugefügt wird. Wir haben gezeigt, dass unser Algorithmus in diesem Sinne optimal ist.

DNA Data Storage ist sehr teuer, da die Herstellung von DNA und das Lesen sehr aufwendig sind. Was macht DNA dennoch als Speichermedium attraktiv?

Zum einen ist die Informationsdichte auf DNA sehr hoch. Das ermöglicht die Speicherung riesiger Datenmengen auf kleinstem Raum. Im Fall der Serie sind es zwar “nur” 100 Megabyte auf einem Picogram, also einem billionstel Gramm DNA. Theoretisch wären aber bis zu 200 Exabyte auf einem Gramm DNA möglich. Zum anderen hält sich DNA sehr lange. Zum Vergleich: Wenn Ihr PC und dessen Festplatte immer ausgeschaltet beziehungsweise unbeschrieben blieben, würden die Daten nach ein paar Jahren verschwinden. DNA hingegen, richtig verpackt, kann viele tausend Jahre stabil bleiben.

Auch Dank der von Ihnen entwickelten Methode, die DNA-Stränge robust, fast „unkaputtbar“ macht

Mein Kollege Robert Grass war der erste, der ein Verfahren entwickelt hat, das DNA-Stränge in Nanometer große Kügelchen aus Silica, eine Glas-Art, kapsuliert und sie damit „stabil verpackt.“ Damit ist die DNA mechanisch geschützt. Gemeinsam haben wir bereits 2015 ein Paper verfasst, das unseren Algorithmus und Prof. Grass‘ Kapsulierung als das erste robuste DNA Data Storage vorstellt. Seitdem haben wir die Methode immer weiterentwickelt. In unserer jüngsten Publikation in Nature Protocols von Januar 2020 geben wir unsere Erfahrungen weiter.

Was sind Ihre nächsten Schritte? Hat das Speichern von Daten auf DNA Zukunft?

Wir arbeiten daran, DNA Data Storage günstiger und schneller zu machen. „Biohackers“ war ein Meilenstein in Richtung Kommerzialisierung, doch es liegt noch ein weiter Weg vor uns. Wenn sich die Technologie durchsetzt, ist Großes möglich. Ganze Bibliotheken, sämtliche Filme, Fotos, Musik, Wissen jeglicher Art – soweit in Daten abbildbar – könnte auf DNA gespeichert werden und der Menschheit somit für immer zur Verfügung stehen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • künstliche DNA
  • Datenspeicher
  • Datenspeicherung
Mehr über TU München
  • News

    „Liebling, ich habe den Detektor geschrumpft“

    Wissenschaftler des Helmholtz Zentrum München und der Technischen Universität München (TUM) haben den weltweit kleinsten Ultraschalldetektor entwickelt. Er basiert auf miniaturisierten optischen Schaltkreisen, die auf der Oberfläche eines Siliziumchips angebracht sind. Er ist 100 Mal kleine ... mehr

    Kolibakterien produzieren Korallen-Antibiotikum

    Korallen, die auf den Riffen der Bahamas wachsen, produzieren einen Wirkstoff, der multiresistente Tuberkulose-Bakterien abtötet. Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, das Antibiotikum im Labor biotechnologisch herzustellen – kostengünstig, schnell und ... mehr

    Wer schneller wächst, ist früher tot

    Bakterien sind Überlebenskünstler: Wenn sie Nahrung bekommen, vermehren sie sich rasant, doch sie können auch Hungerphasen überdauern. Allzu schnelles Wachstum reduziert jedoch ihre Überlebensfähigkeit, das zeigen Untersuchungen eines Forschungsteams der Technischen Universität München (TUM ... mehr

Mehr über ETH Zürich
  • News

    Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus die Zelle kapert

    Forscher der ETH Zürich und der Universität Bern haben einen Mechanismus entdeckt, wie das Coronavirus menschliche Zellen manipuliert, um seine eigene Vermehrung sicherzustellen. Dieses Wissen wird helfen, Medikamente und Impfstoffe gegen das Coronavirus zu entwickeln. Wie ein Pirat, der ei ... mehr

    Es werde Licht, und der Vorgang stoppt

    ETH-​Forscher haben herausgefunden, dass sie lichtempfindliche Moleküle nutzen können, um genetische Netzwerke gezielt ein-​ und auszuschalten. Damit wird es in Zukunft möglich sein, die biotechnologische Herstellung von Substanzen auf einfache Weise dynamisch steuern. Das Antibiotikum Tetr ... mehr

    Wie sich Bakterien an Fasern im Darm festhalten

    Forscher haben den molekularen Mechanismus aufgeklärt, mit dem sich Bakterien an Zellulosefasern im Darm anheften. Indem sie auf zwei verschiedene Arten an die Fasern binden, können sie den Scherkräften im menschlichen Körper standhalten. Das Forschungsteam der Universität Basel und der ETH ... mehr

  • Videos

    Kunstherz auf dem Prüfstand

    ETH-Forschende haben ein weiches Kunstherz aus Silikon entwickelt, das sich fast wie ein menschliches Herz bewegt. Produziert wurde das 390 Gramm schwere Silikonherz mit einem 3D-Drucker. mehr