DNA nicht nur beim Vaterschaftstest: Biologische Datenspeicherung

Die Nutzung der DNA für den Vaterschaftstest oder die Identifikation von Personen ist spätestens seit der Erfolgsserie CSI Las Vegas jedem geläufig. Neue Ideen zur Verwendung der DNA werden im Bereich Datenspeicherung entwickelt. Täglich wächst das Volumen an Daten, das weltweit generiert wird. Dieses wird bereits in Zettabytes berechnet (1 Zettabyte entspricht 1 Trilliarde Bytes), so dass Wissenschaftler über neue Datenspeichermedien forschen.

SI-System für Bytes

Die Dimensionen kann man über folgende Übersicht erfassen (die Struktur der Tabelle ergibt sich aus dem SI-System,système international):

1 Gigabyte (GB) 1.000 Megabytes (1.000 MB) 10 Bytes
1 Terabyte (TB) 1.000 Gigabytes (1.000 GB) 10 Bytes
1 Exabyte (EB) 1.000 Terabytes (1.000 TB) 1012 Bytes
1 Petabyte (PB) 1.000 Exabytes (1.000 EB) 1015 Bytes
1 Zettabyte (ZB) 1.000 Petabytes (1.000 PB) 1018 Bytes

Datenspeicherung mittels DNA

Bereits im August 2012 berichtete die renommierte Wissenschaftszeitschrift „Nature“ über drei Forscher, die den Inhalt eines Buches in DNA kodiert und so über 50.000 Wörter gespeichert hatten. 455 Exabytes (=455.000.000.000.000.000.000 Bytes) an Daten per Gramm DNA sollten so gespeichert werden können. Im Januar 2013 publizierte die Zeitschrift Forschungen von Nick Goldman, Ewan Birney und Kollegen am European Bioinformatics Institute (EBI) nahe Cambridge zu diesem Thema. Nach ihren Forschungsergebnissen soll die Speicherung mittels DNA weit mehr als die derzeit weltweit existierende Datenmenge, die auf 3 Zettabytes geschätzt wird, abdecken können.

Die Bausteine der DNA sind Nucleinsäuren. Die einzelnen Elemente der DNA nennt man Nucleotide. Sie setzen sich aus einem Zuckermolekül (Desoxyribose), einem Phosphatrest und einer organischen Base - Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) - zusammen. Die DNA ist in Form der 1953 von Watson und Crick entschlüsselten Doppelhelix organisiert. Dabei bilden die Basen die Verbindung zwischen den beiden Strängen und paaren sich dergestalt, dass sich die Doppelhelix bei der Zellteilung in zwei Stränge aufteilen und sich wieder zu einem Doppelstrang ergänzen kann. Der Vaterschaftstest bedient sich der Untersuchung dieser Basen in Form sogenannter Minisatelliten (Short Tandem Repeats, STR) auf der DNA. Es handelt sich um DNA-Abschnitte, in denen ein 2 bis 8 Nukleotide langes DNA-Muster mehrmals wiederholt wird (z.B. GATTA), so dass für jedes Lebewesen ein unverwechselbarer genetischer Fingerabdruck erstellt werden kann.

Auch bei der Datenspeicherung über DNA spielen die Basen die Hauptrolle. Problematisch dabei ist die korrekte Übersetzung der Bausteine der DNA (die Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin – kurz A, T, C, G) in das binäre System von 0 und 1 der Computersprache. Während bestimmte Sequenzen von DNA-Bausteinen, die die gleichen Basen wiederholen, zu Lesefehlern bei DNA-Sequenzierern führen können, wenn die gespeicherte, kodierte Information aus dem DNA-Speicher abgerufen werden soll, entwickelten die Forscher ein Kodierungsschema, das Wiederholungen ausschließt. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, wurde die Datenmenge desweiteren aufgeteilt und eine Paritätskontrolle wie beim binären System der IT eingeführt. 

Nichtsdestotrotz funktionierte das System noch nicht einwandfrei, da neben den chemischen Eigenheiten der DNA auch die Funktion moderner Sequenzierautomaten eine Rolle spielt. Noch ist die Geschwindigkeit des Abrufens der gespeicherten Daten sehr langsam. Weitere Forschungsergebnisse sowie Verbesserungen bei der Sequenziertechnik sind jedoch mit Spannung zu erwarten.

Quellen: www.nature.com, “DNA data storage breaks records”, Monya Baker, 16 August 2012; www.nature.com, “Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA”, Nick Goldman, et. al., published online 23 January 2013; www.economist.com, “Test-tube data”, Jan 26th 2013

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