Datensicherung bis in die Ewigkeit

Wäre der Schweizer Bundesbrief digital aufgesetzt worden, könnte man ihn längst nicht mehr lesen. In einem ETH-Labor wurde er jetzt für viele Jahrtausende gesichert – die Methode hat die Natur erfunden.

Das Erbgut aller Lebewesen ist in der DNA über Generationen gespeichert. Mit dem gleichen Codesystem lassen sich auch Daten sichern. Foto: SPL (Keystone)

Das Erbgut aller Lebewesen ist in der DNA über Generationen gespeichert. Mit dem gleichen Codesystem lassen sich auch Daten sichern. Foto: SPL (Keystone)

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Das wichtigste historische Dokument der Eidgenossenschaft liegt in einem Kühlschrank der ETH Zürich. Wissenschaftler lagern es im Institut für Chemie- und Bio-Ingenieurwissenschaften – tausendfach vervielfältigt. Der Schweizer Bundesbrief und die Kopien sind hier nicht mehr als ein Häufchen Pulver, sicher aufbewahrt in einer Glaskapsel aus Siliziumoxid. Das Pulver besteht aus Partikeln, die nicht grösser als 150 Nanometer sind. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstelmeter oder einem Millionstelmillimeter.

Die ETH-Chemiker Robert Grass und Wendelin Stark haben bewusst für das Experiment den Bundesbrief ausgewählt: «Wir fragen uns schon lange, wie das enorme Wissen der heutigen Zivilisation für die Nachfahren über Tausende Jahre gespeichert werden kann.» Pergament und Papier sind beständig für lange Zeit, das zeigen archäologische Funde. Aber seit der Umstellung auf ­digitale Speichermedien ist die Halbwertszeit von Information stark gesunken. Digitale Daten können heute maximal für etwa 50 Jahre zuverlässig gespeichert und auch wieder gelesen werden. «Die Informationen auf Festplatten oder Magnetbändern zu speichern, ist kaum der richtige Weg», befürchtet Grass.

Fehlerfrei trotz Datenzerfall

Eine Option für eine Langzeitspeicherung sieht er hingegen im ältesten organischen Datenträger der Erdgeschichte: der DNA. Die Desoxyribonukleinsäure trägt in den Zellen aller Lebewesen die Erbinformationen. Diese ist chemisch verschlüsselt durch vier Moleküle, so­genannte Basen mit den Kürzeln A, T, G und C. Die bestimmte Abfolge dieser ­Basen in der DNA sind der genetische Code für die Proteinbildung, die Leben überhaupt möglich macht.

Diese Eigenschaft nutzten Bioinformatiker bereits vor Jahren. Sie entwickelten ein Computerprogramm, das die digitale Codierung von Informationen, eine Abfolge von Nullen und Einsen, in die Basen-Sprache der DNA übersetzt. Schliesslich wurden die Basenmoleküle synthetisiert, es entstand eine wässrige Lösung. So wurde bereits im Jahr 1998 ein Bibeltext aus der Schöpfungsgeschichte DNA-codiert, 2001 sodann ein Auszug aus einem Buch von Charles ­Dickens. Ein internationales Forscherteam zeigte schliesslich vor zwei Jahren in der Fachzeitschrift «Nature», dass auch grosse Informationsmengen in DNA-Sprache übersetzt und wieder entschlüsselt werden können.

Die ETH-Forscher gehen nun noch einen Schritt weiter. Sie zeigen, wie Datenspeicherung auf der DNA auch dann funktionieren kann, wenn die Information schon lange lagert und teilweise zerfallen ist. Die Methode der ETH-Chemiker garantiert eine fehlerfreie Rekonstruktion der Daten. Erstmals können jetzt Informationen sicher auf DNA gespeichert und die Fehler ­korrigiert werden.

Die Forscher nutzen dazu einen mathematischen Trick, den Informatiker und Ingenieure auch bei der Datenspeicherung auf Festplatten anwenden. «Wenn ich ‹Hallo› schreibe, speichert der Computer auf der Festplatte noch ein paar wenige Byte Daten dazu», sagt ETH-Chemiker Grass. Das heisst: Das «Hallo» erhält im Computer zusätzliche Information, sodass es selbst dann noch rekonstruiert werden kann, wenn ein Teil der Daten verloren gegangen ist.

Diese Fehlerkorrektur macht bei der DNA-Codierung eine Langzeitspeicherung über Tausende Jahre möglich, ist Grass überzeugt. Reinhard Heckel vom Institut für Kommunikationstechnik der ETH Zürich entwickelte ein Computerprogramm, das den Buchstaben im Bundesbrief bei der Codierung in DNA-Sprache zusätzliche Informationen anhängt. «Selbst wenn etwa 15 Prozent der DNA-Synthese verloren gehen, können wir sie immer noch fehlerfrei wieder entschlüsseln», sagt Robert Grass.

Dokument in wässriger Lösung

Die Codierung und Synthese des vollständigen Textes im Bundesbrief, etwa 100 Kilobyte, ergab rund 5000 DNA-Sequenzen. Aus der digitalen PDF-Datei wurde eine DNA-Synthese in wässriger Lösung. Eine US-Firma hatte den DNA-Code synthetisiert. Ein Unternehmen im Rheintal war für das Auslesen verantwortlich. Die ETH-Forscher dokumentieren in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie», dass das Speichern und Lesen der Daten fehlerlos möglich ist. Das Korrekturprogramm allein garantiert aber keine zuverlässige Langzeitspeicherung über Jahrtausende. In der Natur funktioniert das: Die DNA von ­Bären und Menschen wurde entschlüsselt, die vor 300 000 Jahren gelebt hatten. Chemische Synthesen durch den Menschen sind nicht so beständig. Sie altern, wenn sie nicht geschützt werden.

Die ETH-Chemiker entschieden sich, die wässrige DNA-Lösung einzutrocknen und in einer Kapsel aus Siliziumoxid, bekannt als Quarzglas, einzulagern. Hitzetests bis zu 70 Grad Celsius während eines Monats zeigten, dass dieses Material chemisch stabil ist und jahrhundertelang Bestand hat. «Ein Vorteil ist zudem die Herstellung bei Raumtemperatur», sagt Grass. Will man die Codierung entschlüsseln, knackt man die Kapsel mit Flusssäure, die so verdünnt ist, dass sie die Kapsel auflöst, aber die DNA nicht beschädigt.

Wissensspeicher im Bunker

Der Einschluss in Quarz ist vergleichbar mit der DNA-Einlagerung in fossilen Knochen. Die ETH-Forscher schätzen: Würde die DNA zum Beispiel im weltweiten Saatgut-Tresor auf Spitzbergen bei ­minus 18 Grad gelagert, so könnte man ­Informationen über eine Million Jahre zuverlässig speichern. Im Vergleich: Daten auf Mikrofilmen sind für etwa 500 Jahre gesichert. Grass stellt sich vor, dass in der Schweiz alte Militärbunker in den Alpen durchaus für eine «DNA-Bibliothek» geeignet wären.

Manche sehen in der DNA-Speicherung schon einen Ersatz der Festplatte. Dafür fehlt jedoch die Hardware. «Die Entschlüsselung von DNA-Sequenzen wird zwar immer effizienter: Schon bald wird es Geräte dazu geben, die auf dem Bürotisch stehen», sagt Robert Grass. Doch die Synthetisierung ist nach wie vor aufwendig. Grass sieht vorerst vor allem eine Anwendung der neuen Technik in der Langzeitspeicherung wichtiger ­Daten, zum Beispiel von Dokumenten, welche die Unesco als «Memory of the World» deklariert hat. «Sonst geht viel Wissen verloren, und die Nachwelt erfährt nicht mehr, was die Vorfahren ­beschäftigt hat.»

Allerdings ist die Anwendung auch eine Kostenfrage. Die Speicherung und Entschlüsselung der DNA nach dem Verfahren der ETH-Forscher kostet rund 500 Franken pro Megabyte. «Das ist, auch wenn es durch die Fehlerkorrektur viel günstiger ist als vorherige Methoden, immer noch sehr teuer», sagt Robert Grass. Doch zeichnet sich ein schneller Fortschritt ab. Noch vor zwei Jahren rechneten Forscher des Europäischen Bioinformatikzentrums mit 12 500 Dollar für ein Megabyte Synthese und 200 Dollar für die Sequenzierung.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 16.02.2015, 21:12 Uhr

Künstliche DNA

Ist sie für Lebewesen gefährlich?

Die Arbeit mit genetischen Codes löst grundsätzlich in der Öffentlichkeit Unbehagen aus. Es ist deshalb nicht verwunderlich, dass in manchen Beiträgen – auch wissenschaftlichen – zur Langzeitspeicherung von digitalen Daten mithilfe der DNA-Codierung auch Fragen zur Gefahr dieser künstlich geschaffenen Moleküle gestellt werden: Könnten sich die Moleküle selbstständig vervielfachen und dabei bisher unbekannte Proteine produzieren? Was passiert, wenn sie zufällig ins Erbgut von Lebewesen gelangen? Lassen sich auf diese Weise Zellen zum Leben erwecken, oder sterben Zellen ab? Bioinformatiker geben Entwarnung. Nach Ansicht von Nick Goldman vom Europäischen Bioinformatik-Institut ist es sehr schwierig, synthetische DNA in einen Organismus zu implementieren, wie er in einem Interview in der britischen Zeitung «The Guardian» erklärt. Goldman hat zusammen mit Kollegen vor zwei Jahren eine Methode der DNA-Speicherung in der Fachzeitschrift «Nature» vorgestellt. Da der Code der synthetischen DNA sich grundsätzlich von einem lebenden Organsimus unterscheide, hätte vermutlich eine Implementierung keine Wirkung im menschlichen Körper, sagt er weiter. Wer den organischen Datenträger verschluckt, muss nichts befürchten. Das geschieht täglich mit DNA, die wir mit tierischen und pflanzlichen Nahrungsmitteln aufnehmen. Datenträger aus DNA sind umweltfreundlich. (ml)

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