Bioinformatik Wenn Bakterien ins Kino gehen

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US-Wissenschaftler haben Filme im Erbgut lebender Zellen gespeichert. Ersetzen DNA-Computer bald konventionelle Rechner?

Das Bakterium Escherichia coli ist überall zu finden und vielseitig einsetzbar – wenn es sein muss, sogar zum Speichern von Bilddaten. Foto: Mauritius
Das Bakterium Escherichia coli ist überall zu finden und vielseitig einsetzbar – wenn es sein muss, sogar zum Speichern von Bilddaten. Foto: Mauritius

Stuttgart - Die DNA ist ein faszinierendes Molekül. In ihrer verblüffend einfach aufgebauten Doppelhelix sind die Baupläne der Proteine gespeichert, die zentrale biologische Prozesse steuern. Die DNA ist auch zuständig für die Weitergabe der Erbanlagen an die nächste Generation. Um diese komplexen Aufgaben zu erfüllen, muss dass Molekül eine gewaltige Menge an Informationen speichern. Dabei hat das Alphabet der DNA nur vier „Buchstaben“: die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, abgekürzt A,G,C und T. Ihre Abfolge legt fest, welche Eiweißbausteine in welcher Reihenfolge zu Proteinen zusammengebaut werden – und zwar bei allen Lebewesen nach dem gleichen Muster.

Die enorme Speicherleistung der DNA hat Biologen und Informatiker schon länger auf die Idee gebracht, das Molekül als eine Art biologische Festplatte zu verwenden. Und nicht nur das, denn mit DNA-Molekülen lassen sich auch komplexe Rechenoperationen durchführen. Die Rede ist vom sogenannten DNA-Computing. Als dessen Begründer gilt der Amerikaner Leonard Adleman, dem es bereits 1994 gelungen war, ein Informatikproblem allein mit molekulargenetischen Methoden zu lösen – sozusagen im Reagenzglas. In den Jahren danach gab es etliche weitere Veröffentlichungen, die den Fortschritt des DNA-Computing dokumentieren.

Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler das Bild einer Hand

Die jüngste Erfolgsmeldung kommt ebenfalls aus den USA. Wie bereits kurz berichtet, ist es Forschern der Harvard Medical School in Boston erstmals gelungen, Bilder und Filmaufnahmen in lebenden Zellen zu speichern und wieder abzurufen. Ein Team um Seth Shipman und George Church nutzte die hochpräzise molekulare ­Genschere Crispr, um die Bilddaten in das Erbgut von Escherichia-coli-Bakterien einzuschleusen. Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler das Bild einer menschlichen Hand sowie fünf ­Aufnahmen eines Reiters auf einem Pferd, die hintereinandergehängt einen kurzen, etwas ruckeligen Film ergeben (http://dpaq.de/MTmnT).

Die Forscher arbeiteten allerdings nur mit einer Bildauflösung von 36 mal 26 Pixeln. Das reichte aber, um zu zeigen, dass die Methode grundsätzlich funktioniert. Zum Speichern wurden die einzelnen Bildpunkte in Sequenzen der vier DNA-Basen übersetzt. Die entsprechenden DNA-Abschnitte wurden im Labor hergestellt und an bestimmten Stellen in das Bakterien-Erbgut eingebaut. Beim Lesen der Daten gingen die Forscher umgekehrt vor. Sie erfassten durch eine Sequenzierung die Reihenfolge der DNA-Basen und übersetzten diese wieder in Bilder. Die Kopien entsprachen den Originalen dabei immerhin mit einer Genauigkeit von 90 Prozent.

Zellen sollen einmal ihre eigenen biologischen Prozesse aufzeichnen

Den US-Forschern geht es aber nicht in erster Linie um die Speicherung von Bildern und Filmen. Sie wollen das System so weiterentwickeln, dass Zellen ihre eigenen biologischen Prozesse aufzeichnen. „Eines Tages könnten wir dazu in der Lage sein, die Entwicklungsentscheidungen einer sich entwickelnden Nervenzelle von der frühen Stammzelle bis zum hochspezialisierten Zelltyp im Gehirn nachzuverfolgen“, wird Shipman in einer Harvard-Mitteilung zitiert. Als mögliche Anwendungen nennt er etwa die Gewinnung von Zellen für Therapiezwecke oder die Entwicklung neuer Medikamente.

Die Verwendung lebender Zellen als Speichermedium macht es prinzipiell auch möglich, Informationen an die nächste Generation weiterzuvererben. Bei den bisherigen Versuchen zum DNA-Computing arbeiteten die Forscher aber in der Regel nicht mit Zellen, sondern mit isolierter DNA unter Laborbedingungen. „Die DNA hat im Vergleich zur konventionellen Computertechnik sehr viele Vorteile“, sagt der Bioinformatiker Thomas Hinze von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Da wäre zum einen die gewaltige Speicherdichte. DNA speichert pro Volumeneinheit über 10 000 mal mehr Daten als heutige Festplatten oder Flash-Speicher. Zudem benötigt die DNA nach den Worten des promovierten Ingenieurs zur Speicherung eines Bits nur ein Tausendstel bis Zehntausendstel der Energie eines elektronischen Speichers.

Die DNA ist prädestiniert für die langfristige Speicherung wichtiger Daten

Nicht weniger beeindruckend ist die Langzeitstabilität der DNA. Hinze nennt als Beispiel 20 000 Jahre alte Mammutknochen im sibirischen Dauerfrostboden, aus denen sich die DNA zu mehr als 95 Prozent rekonstruieren ließ. Unter idealen Bedingungen schätzen Forscher die Lebensdauer von DNA-Molekülen sogar auf mehrere hunderttausend Jahre. Digitale Datenträger machen dagegen oft schon nach wenigen Jahren schlapp, „Ich habe kürzlich mal versucht, ein paar 20 Jahre alte Disketten auszulesen. Das hat nur bei einer von zehn halbwegs funktioniert“, berichtet Hinze. Die DNA sei dagegen prädestiniert für die langfristige Speicherung wichtiger Daten.

In punkto Geschwindigkeit können DNA-Speicher und -Rechner allerdings nicht mit der elektronischen Konkurrenz mithalten. So sei die Lesegeschwindigkeit für Daten um „mehrere Zehnerpotenzen geringer“, erläutert Hinze. Doch dieses Manko lasse sich ausgleichen – und zwar durch die Herstellung mehrerer Milliarden Kopien des selben DNA-Moleküls, die sich im Labor schnell bewerkstelligen lässt. „Dann können sich Milliarden von DNA-Molekülen gleichzeitig mit einer Aufgabe beschäftigen“, schwärmt Hinze. Gegen diesen massiv parallelen Ansatz komme selbst ein ganzes Rudel konventioneller Rechner nicht so schnell an.

Und wann erreicht das DNA-Computing die Praxis? „Einzelne Anwendungen werden bereits in der Forensik oder für die Diagnose von Erbkrankheiten eingesetzt“, sagt der Bioinformatiker. Die Vorstellung „dass wir in 20 Jahren einen DNA-Computer auf dem Schreibtisch stehen haben“, sei dagegen unrealistisch. Ihre Vorteile könnten IT-Systeme auf DNA-Basis eher bei extrem rechenaufwendigen Fragestellungen ausspielen. Denkbar seien auch Anwendungen auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz, meint Hinze.