Die Erfindung des Buchdrucks und der beweglichen Lettern führte zu einer Informationsexplosion, die bis zum heutigen Tag anhält. Forscher berichten nun, dass sie die Codierung von Daten in DNA-Strängen beschleunigt haben, indem sie das Konzept der beweglichen Buchstaben auf molekularer Ebene anwenden. Obwohl die Entwicklung bisher nur im Labor demonstriert wurde, gehen unabhängige Forscher davon aus, dass der in der Fachzeitschrift Nature beschriebene neue Ansatz die aufkommende DNA-basierte Datenspeicherindustrie ankurbeln wird, indem er eine kosteneffiziente Archivierung von wichtigen Informationen für Jahrzehnte und darüber hinaus ermöglicht.

Die DNA-basierte Datenspeicherung ist eine äußerst verlockende Option, da ein einziges Gramm DNA bis zu 215 Petabyte an Daten speichern kann - genug, um 10 Millionen Stunden High-Definition-Video zu speichern. In ein paar Transportern mit DNA könnten also alle Daten gespeichert werden, die die Menschheit je geschaffen hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Festplatten, die nach Jahren oder Jahrzehnten zerstört werden können, kann die DNS über Tausende von Jahren unverändert bleiben.

Das Lesen der im DNA-"Alphabet" aus vier Basen verschlüsselten Daten ist heute mit DNA-Sequenziermaschinen einfach und relativ schnell möglich. Das Problem liegt in der Aufzeichnung der Daten, für die in der Regel einzelne DNA-Stränge synthetisiert werden müssen - Buchstabe für Buchstabe. Die derzeit schnellsten DNA-Schreiber können pro Tag etwa 320 Millionen Bytes an DNA-Daten synthetisieren. Aber bei dieser Geschwindigkeit würde das Schreiben eines einzigen Gramms DNA fast 2 Millionen Jahre dauern. "Das ist im Vergleich zu Festplatten unhaltbar, weil die Schreibgeschwindigkeit extrem langsam ist", sagt Long Qian, ein Computerbiologe an der Universität Peking.

Um den Prozess zu beschleunigen, ließen sich Qian und seine Kollegen von den beweglichen Lettern inspirieren, die ursprünglich um 1040 v. Chr. in China erfunden wurden, etwa 400 Jahre vor Johannes Gutenbergs Druckerpresse, und bei denen Porzellan anstelle von Metall als Material für die Buchstaben verwendet wurde. Sie stellten zunächst lange, standardisierte, einfaserige DNA-Schablonen als "Papier" her. Die "Buchstaben" aus Porzellan oder Metall bestehen aus Hunderten von kurzen, einsträngigen DNA-"Legos", die jeweils 24 Basen lang und so angeordnet sind, dass sie sich an eine bestimmte Region der DNA-Vorlage binden.

Die Forscher nutzten dann einen natürlichen Prozess in den Zellen, die Methylierung, um die Lego-Fragmente als digitale 0 oder 1 zu kodieren. Im Körper hängen Zellen Methylgruppen an bestimmte DNA-Sequenzen an, um anzuzeigen, welche Gene in verschiedenen Geweben exprimiert oder zum Schweigen gebracht werden sollen.

Um DNA-basierte Daten zu erfassen, fügten Qian und Kollegen ein Enzym hinzu, das Methylgruppen an einige der DNA-Sequenzen (die 1en) anheftete und den Rest in Ruhe ließ. Dann wählten sie wie die Buchstabensetzer der Renaissance die Legos aus, die zur Vorlage mit den richtigen 1en und 0en passten, um eine beliebige digitale Datei zu kodieren. Einmal auf einer Seite platziert, fanden die Legosteine schnell ihren Platz und wurden mit den entsprechenden Sequenzen in der Vorlage verknüpft.

Schließlich trugen die Forscher "Tinte" auf die "Buchstaben" auf, um den Druck zu erstellen. Sie fügten der Lösung ein Enzym namens Methyltransferase hinzu, das alle Methylgruppen auf den Legos auf die benachbarte Position auf dem Vorlagenstrang kopierte, der dann von einem handelsüblichen DNA-Sequenzierungsgerät gelesen werden konnte. Mit dieser Methode wurde das Schreiben und Lesen von Dateien mit fast 270.000 Bits demonstriert, was ausreicht, um hochauflösende Bilder wie einen Tiger und einen Riesenpanda zu kodieren.

Nach Angaben von Qian liegen die Kosten für das Schreiben von Daten mit dieser Methode derzeit bei etwa 0,003 Dollar pro Bit. Das ist zwar immer noch teurer als das, was DNA-Syntheseunternehmen für jeden neuen Buchstaben der DNA verlangen, aber Qian ist der Ansicht, dass die Kosten bei einer Vergrößerung des Systems durch den Einsatz von proportional weniger Reagenzien erheblich gesenkt werden könnten.

Laut Qian hat die Forschung jedoch bereits gezeigt, dass die Geschwindigkeit der Datenerfassung in der DNA erheblich beschleunigt werden kann. Qian schätzt, dass eine kommerzielle Version des neuen Ansatzes Geschwindigkeiten von bis zu 2 Terabyte pro Tag erreichen könnte, was einer 6000-fachen Steigerung gegenüber den besten kommerziellen DNA-Synthesizern von heute entspräche. Qian und seine Kollegen planen nun, den DNA-Vorlagen andere chemische Marker als Methylgruppen hinzuzufügen, um noch mehr Daten pro Strang zu kodieren und den Prozess noch weiter zu beschleunigen. Wenn sie Erfolg haben, könnte das Konzept der beweglichen Buchstaben ein Durchbruch für unsere Zeit sein.