Seit einiger Zeit haben Datensicherungsexperten das uralte und unglaublich effektive Speichermedium der Natur im Visier: die DNA. Forscher zeigen nun einen neuen Weg, auf dem sich das Speicherpotenzial des Erbgutmoleküls immens steigern lässt. Sie verwenden dabei einen zum Video-Streamen bei Smartphones genutzten Algorithmus. Das Verfahren sei äußerst zuverlässig, berichten Yaniv Erlich vom New York Genom Center und Dina Zielinski von der Columbia University in New York im Fachmagazin Science.

Binärer Code und vier Basen

Beim Streamen von Videos und anderen größeren Medieninhalten geht es darum, dass eine Datei vom Player nicht komplett, sondern als Fluss kleiner Datenpakete geladen wird. Ein Algorithmus ist eine Art Lösungsplan, ein festgelegter Ablauf von Einzelschritten. Solche Abläufe spielen als Grundlage der Programmierung in der Informatik eine große Rolle – im Navi ebenso wie beim Schachcomputer oder einer Online-Partnerbörse.

Die Forscher nahmen sechs Datenpakete, um ihre neue Methode zu testen: ein komplettes Betriebssystem, den französischen Stummfilm „Die Ankunft eines Zuges auf dem Bahnhof in La Ciotat“ von 1895, einen Amazon-Gutschein über 50 Dollar, einen Computervirus, einen Aufsatz des US-Mathematikers Claude Shannon von 1948 sowie eine der sogenannten Pioneer-Plaketten. Zwei dieser goldenen Platten mit grafischen Informationen zur Menschheit und ihrer Position im Universum sind an Bord der Raumsonden „Pioneer 10“ und „Pioneer 11“ angebracht.

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Hologramme und Tesafilme

Im Jahre 2020 soll die Menge an digitalen Daten weltweit bei etwa 40 Zettabytes liegen. Das schätzten Forscher im Jahre 2010. Es ist eine Zahl mit 21 Nullen. Sie entspricht den Rechnungen der Forscher zufolge der 57-fachen Menge der Sandkörner an allen Stränden der Erde. Das Datenvolumen verdoppelt sich alle zwei Jahre.

Die Speichermedien entwickeln sich rasant weiter. Dabei werden verschiedene Wege ausprobiert. Forscher arbeiten an optischen Speichern in Hologrammen oder auf Tesafilm, an der Speicherung mittels Quantentechnologie (siehe Quantencomputer) oder an biologischen Speichern auf der Grundlage des Erbguts.

In einem Gramm DNA lassen sich einer neuen Methode zufolge inzwischen 215 Petabyte Daten speichern. Das  entspricht dem Umfang von ungefähr 430.000 handelsüblichen 500-Gigabyte-Festplatten. Oder anschaulicher: Es sind mehr als 70 Milliarden Fotos in guter  Qualität oder etwa 40 Millionen Spielfilme.

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In einem DNA-Synthese-Labor wandelten die Forscher den digitalen Code der Daten in den biologischen Code des Erbguts um. Dieser beruht auf den vier Basen, aus denen die DNA aufgebaut ist: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, kurz A, T, G und C.

Das jeweilige Datenpaket wurde zunächst komprimiert und in kurze Reihen binärer Codes – also Nullen und Einsen – zerstückelt. Diese ordneten die Forscher dann mit Hilfe eines sogenannten Fountain-Code-Algorithmus den DNA-Bausteinen A, T, G und C zu. Schließlich erzeugten die Forscher insgesamt 72.000 jeweils 200 Basen lange DNA-Stränge.

Tausende Jahre Lagerung

Zur Rückumwandlung der Daten gingen sie den umgekehrten Weg: Die Abfolge der Erbgutbausteine wurde mit speziellen Geräten ausgelesen, über eine Software wieder in binären Code übersetzt und schließlich wieder zu den sechs Datenpaketen zusammengefügt. Die Zahl der am Ende des komplexen Prozesses vorhandenen Fehler betrug null. Das bedeutet, dass das Betriebssystem, der Film und die anderen Datenpakete also wieder vollständig und ohne Einbußen vorhanden waren.

Die Menschheit wird nach Einschätzung mancher Experten vielleicht schon bald mehr Daten generieren als auf Festplatten oder Magnetbänder gesichert werden können. Die DNA sei ein ideales Speichermedium, weil sich Daten ultra-kompakt sichern und sich die Moleküle problemlos Hunderte bis Tausende Jahre lagern lassen, erklären die New Yorker Forscher, die die neue Speichermethode entwickelt haben. Wie langlebig das Erbmaterial sei, zeigten Fossilien, unter anderem das eines 430.000 Jahre alten Frühmenschen in einer spanischen Höhle.

„DNA wird sich nicht mit der Zeit zersetzen wie Kassettenbänder oder CDs, und sie wird nie ein überholtes Medium sein – andernfalls haben wir selbst ein Problem“, sagt Yaniv Erlich. Auch die Herstellung beliebig vieler Kopien ist den Aussagen der Forscher zufolge mit dem Erbmolekül kein Problem – DNA wird auch in der Natur über die sogenannte Polymerase-Ketten-Reaktion ständig vervielfältigt.

Mit der Methode ließen sich 215 Petabyte Daten in nur einem Gramm DNA speichern – das Hundertfache der bei früheren Ansätzen erreichten Menge, schreiben die Forscher. „Wir glauben, dass es sich um das Speichermedium mit der bisher höchsten Datendichte überhaupt handelt“, sagt Erlich vom New York Genom Center. Rein rechnerisch liege die Grenze bei 1,8 Bits je Baustein. Mit ihrem Verfahren „DNA Fountain“ sei ein Wert von 1,6 Bits erreicht worden, berichten die Wissenschaftler.

Das größte Problem dieser Technik bilden noch die Kosten. Die DNA-Synthese für ihre zwei Megabyte Daten kostete den Forscherangaben zufolge 7000 Dollar das Auslesen weitere 2000 Dollar. Mit einem raschen Preisverfall bei der Erbgut-Herstellung im Labor ist nach Experteneinschätzung nicht zu rechnen. Über eine Kombination aus weniger hochwertigen DNA-Molekülen und besseren Codierungsstrategien lasse sich der Preis aber dennoch drücken, meint Erlich.

Globales Lebewesen-Netzwerk

Im Prinzip kann man sich die gesamte Biosphäre als einen gigantischen Supercomputer vorstellen. Der Informationsspeicher wäre die DNA, die Rechenleistung entspräche der Transkriptionsrate der DNA, also der Geschwindigkeit, mit der die Erbgut-Information in Proteine übersetzt wird. In Analogie zum Internet wären alle Lebewesen individuelle Informationsspeicher, die durch wechselseitige Interaktionen und über biochemische Zyklen in einem globalen Netzwerk miteinander verbunden sind.

Das Erbgut aller Lebewesen der Erde wiegt insgesamt etwa 50 Milliarden Tonnen. Das ergab eine im Jahre 2015 im Fachblatt Plos Biology vorgestellte Studie. Um die in der DNA steckende Information aller Lebewesen zu speichern, bräuchte man eine Trilliarde – das heißt 10 hoch 21 – der derzeit vier leistungsstärksten Supercomputer. (har., dpa/fwt)