Im Laufe der Menschheitsgeschichte haben sich die Menschen alle Arten von Datenspeichersystemen ausgedacht - von keilförmigen und gemeißelten Inschriften bis hin zu Festplatten und CDs. Eines haben sie jedoch alle gemeinsam: Irgendwann verschlechtern sie sich.
Aus diesem Grund waren Forscher auf der Suche nach einem haltbareren Datenspeicher wie Diamanten und sogar DNA. Jetzt, so berichtet Gina Kolata von der New York Times, haben Wissenschaftler erstmals einen kurzen Film in der DNA lebender Zellen mithilfe der CRISPR-Cas-Genbearbeitungstechnik codiert - ein Schritt, der zur zellulären Aufzeichnung von Gesundheitsdaten führen könnte. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse diese Woche in der Zeitschrift Nature.
Das Konzept der DNA-Datenspeicherung ist relativ einfach. Während digitale Dateien im Wesentlichen durch Aufzeichnen einer Reihe von Zahlen 0 und 1 gespeichert werden, kann DNA dieselben Daten speichern, indem sie die Informationen in ihre vier Nukleobasen A, G, C und T codiert.
Wie Robert Service von Science berichtet, tun Wissenschaftler genau das seit 2012, als Genetiker erstmals ein Buch mit 52.000 Wörtern in DNA kodierten. Obwohl anfänglich ineffizient, hat sich die Technologie im Laufe der Zeit verbessert. Im März berichtete ein Forscherteam, sie hätten sechs Dateien, darunter ein Computerbetriebssystem und einen Film, in synthetische DNA-Schnipsel kodiert.
Für diese neueste Studie wählten die Forscher einen Film mit einem galoppierenden Pferd, der 1878 vom britischen Fotografen Eadweard Muybridge aufgenommen wurde und einer der ersten Kinofilme war, die jemals aufgenommen wurden Boden.
Die Forscher verwendeten das CRISPR-Cas-System, um die DNA auf die Bakterien zu übertragen. Dieses System nutzt die Kraft der bakteriellen Immunabwehr, um die DNA des Bakteriums zu verändern, erklärt Ian Sample für The Guardian . Wenn Viren eindringen, senden Bakterien Enzyme aus, um den genetischen Code des Virus zu zerlegen. Und es integriert Fragmente der Virus-DNA in seine eigene Struktur, um sich bei zukünftigen Angriffen an den Eindringling zu erinnern. Wissenschaftler können dieses System manipulieren und steuern, welche DNA-Teile in das Bakteriengenom gelangen.
Die Forscher erstellten einen synthetischen DNA-Strang, der einen Fünf-Einzelbilder-Block dieses Videos sowie ein Bild einer Hand enthielt - die Buchstaben der Nukelobasen, die den Schatten und die Position der Pixel der einzelnen Bilder darstellen. "Die Wissenschaftler fütterten dann das E. coli-Bakterium mit den DNA-Strängen", schreibt Sample. "Die Insekten behandelten die DNA-Streifen wie eindringende Viren und fügten sie pflichtbewusst ihrem eigenen Genom hinzu."
"Wir haben das Material, das die Pferdebilder codiert, Frame für Frame geliefert", erklärt der Harvard-Neurowissenschaftler Seth Shipman, Erstautor der Studie, Sample. „Als wir dann die Bakterien sequenzierten, haben wir uns angesehen, wo sich die Frames im Genom befanden. Das hat uns die Reihenfolge mitgeteilt, in der die Frames dann erscheinen sollen. “
Wie Sample berichtet, ließen die Forscher die Bakterien eine Woche lang vermehren und gaben die DNA über viele Generationen weiter. Als sie das Genom der Bakterien sequenzierten, waren sie in der Lage, die kodierten Bilder mit einer Genauigkeit von 90 Prozent zu rekonstruieren.
Während es cool wäre, eines Tages die Herr der Ringe- Trilogie in Ihrer DNA zu kodieren, sagt Shipman Kolata, dass das nicht wirklich der Sinn dieser speziellen Forschung ist. Stattdessen hofft er, dass die Technik zu molekularen Rekordern führen könnte, die im Laufe der Zeit Daten aus Zellen sammeln könnten.
"Wir wollen aus Zellen Historiker machen", heißt es in einer Pressemitteilung von Shipman. "Wir stellen uns ein biologisches Speichersystem vor, das viel kleiner und vielseitiger ist als die heutigen Technologien, mit dem viele Ereignisse im Laufe der Zeit ohne Eingriff verfolgt werden können."
Letztendlich hofft Shipman, die Technik nutzen zu können, um die Entwicklung des Gehirns zu untersuchen. Anstatt zu versuchen, Gehirnzellen durch bildgebende Verfahren oder durch chirurgische Eingriffe zu beobachten, würden diese molekularen Aufzeichnungsgeräte Daten über die Zeit von jeder Zelle im Gehirn sammeln, die dann von Forschern entschlüsselt werden könnten.
Aber dieser Tag ist noch lange nicht vorbei und die aktuelle Forschung ist nur ein Proof of Concept. "Dies zeigt uns, dass wir die Informationen einholen können, wir können die Informationen herausholen und wir können verstehen, wie das Timing auch funktioniert", sagt Shipman Sample.
Während Shipman sich auf Gesundheit konzentriert, nimmt die Tech-Welt auch diese DNA-Studien zur Kenntnis. Antonio Regalado vom MIT Technology Review gab bekannt, dass Microsoft im Mai die Entwicklung eines DNA-Speichers angekündigt hat und hofft, dass bis Ende des Jahrzehnts eine Version davon betriebsbereit sein wird. Die Vorteile der DNA-Speicherung liegen auf der Hand, berichtet Regalado. DNA hält nicht nur tausendmal länger als ein Siliziumgerät, sondern kann auch eine Billion Datenbytes auf einem Kubikmillimeter speichern. Jeder jemals gedrehte Film könnte in einem Gerät gespeichert werden, das kleiner als ein Würfelzucker ist. Der Umzug könnte schließlich die Tage massiver, energiesaugender Rechenzentren beenden, die alles von großartiger Literatur bis hin zu Urlaubsfotos nachverfolgen müssen.
