215 Peta-Byte pro Gramm: Wird die DNA zur Festplatte?

DNA-Schriftzug in Japans Nationalem Museum für Zukunftsforschung und Innovation – Miraikan
Bild: MIKI Yoshihito [CC BY 2.0] / flickr

Wenn DNA unsere Erbinformation speichern kann, warum kann sie nicht auch ein Video, ein Computer-Betriebssystem, Bilder oder Text speichern? Kann sie sehr wohl – seit Jahren überbieten sich Biochemiker mit neuen Rekorden an Speicherdichte für das Erbmaterial. Nun scheint das Limit erreicht: Die beiden US-Wissenschaftler Yaniv Erlich und Dina Zielinski vom New York Genome Center nennen im Fachmagazin Science eine Speicherdichte von 215 Petabyte pro Gramm.

Aus Bits werden Basenpaare

In ihrem Experiment schrieben die Forscher 2,14 Megabyte an Daten in DNA-Code um. Computerdaten bestehen aus zwei Informationen, die aneinander gereiht sind: Einsen und Nullen. Unser Erbmaterial dagegen enthält vier Bestandteile: Die Nukleobasen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin (A, C, G und T). Deshalb ordneten die Wissenschaftler den DNA-Bestandteilen Zweier-Sets an Computerdaten zu: aus einer 00 im Computer wurde ein A in der Doppelhelix, aus 01 ein C, die 10 wurde zu G und die 11 wurde als T codiert. Wie ein kluger Mensch einmal sagte, ist DNA aber keine Festplatte, sondern ein Molekül. Deshalb mussten die Gentechniker darauf achten, dass ihre DNA-Speicher zum Beispiel nicht zu viele Vorkommen von G und C beinhalten, denn in diesem Fall könnte sich die schöne Doppelhelix „verheddern“. Auch sollten nicht zu viele gleiche Basen direkt aufeinander folgen – die würden ebenfalls die Struktur des Moleküls stören.

Datentransfer mit TV-Protokoll

Um dieses Problem zu lösen, griffen die Forscher auf eine Technik aus dem Rundfunk zurück: Ein Computerprogramm zerlegte die Daten in einzelne Teile, die dann einzeln übertragen werden. Im Fall der DNA musste das Programm zusätzlich sicher stellen, dass die DNA-Stränge nicht zu viele G- und C-Einheiten enthielten, und auch nicht zu viele gleiche Bausteine hintereinander gereiht waren. Der chiffrierte Computerdatensatz enthielt unter anderem einen Gutschein für einen Onlinehändler, eine PDF-Datei, einen Film und ein sehr kleines Betriebssystem.

Die Daten wurden zu einer 2,14 Megabyte großen Tarball-Datei zusammengefasst. Der Code für diese Datei wurde nun in 67.088 einzelne Fragmente von jeweils 32 Byte aufgeteilt. Zu diesen 32 Byte kamen noch sechs Byte – vier Byte um die Position des Fragments in der Datenreihe zu definieren, und zwei Byte um Fehler in der Verarbeitung der Daten auszuschließen. Mit diesem Verfahren können Dateien von bis zu 500 Megabyte in DNA-Code umgewandelt werden, so die beiden Wissenschaftler.

3.500 Dollar pro Megabyte

Biochemischer Datenspeicher: DNA kann Jahrtausende überdauern. Bild: KGulnazB [<a href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0" target="_blank">CC BY-SA 4.0</a>], via Wikimedia Commons
Biochemischer Datenspeicher: DNA kann Jahrtausende überdauern. Bild: KGulnazB [CC BY-SA 4.0] / Wikimedia Commons
Den so erhaltenen Bauplan für insgesamt 72.000 DNA-Stränge schickten die Forscher an eine Firma, in der die DNA-Stränge dann hergestellt wurden. Nach ein paar Wochen bekamen Erlich und Zielinski dann ein Päckchen mit dem angeforderten Erbmaterial. Die Forscher analysierten die DNA-Sequenzen, fügten die darin codierten Datenfragmente innerhalb weniger Minuten wieder zusammen und sahen sich den Film an, der in der DNA gespeichert war.

Die maximale Speicherkapazität von DNA unter idealen Bedingungen liegt bei 680 Petabyte pro Gramm. Das Forscher-Duo untersuchte daher, bei welcher Speicherdichte sie ihre Daten noch fehlerfrei auslesen konnten und gaben den Wert unter Laborbedingungen mit 215 Petabyte pro Gramm an. Das sind etwa 225 Millionen Gigabyte. Weil DNA ein Molekül ist, muss jemand es herstellen, und das treibt die Kosten in die Höhe. Die beiden Wissenschaftler zahlten 3.500 US-Dollar pro Megabyte.

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