Die DNA der Dinge

2017 demonstrierte der Genetiker Yaniv Erlich von der Columbia University in New York, dass nur ein Gramm an DNA-Molekülen ausreicht, um eine Datenmenge von 215 Petabyte dauerhaft zu speichern. Ein Petabyte entspricht 1000 Terabytes – und damit der Datenmenge, die auf 1000 Festplatten mit einer üblichen Kapazität von einem Terabyte Platz findet. Erlich ist überzeugt, mit seinem Experiment „die höchste Speicherdichte für Daten überhaupt“ erreicht zu haben.

Origami mit DNA

Die Art und Weise, wie sich in jeder Doppelhelix die genetischen Buchstaben paaren, lässt sich auch für andere technische Zwecke nutzen, insbesondere für das Design von Werkstoffen. Sie öffnet das Tor zu einer schier endlosen Vielfalt an Funktionsmaterialien. Einer der Pioniere auf diesem Gebiet war Nadrian C. Seeman. Bereits in den 1990er-Jahren verknotete der Chemiker von der New York University in Albany kurze Stränge von DNA zu Nanoröhren, Polyedern und Gittern. Der Wissenschaftler erzeugte aus dem Erbmolekül Materialformen wie Hydrogele und Kristalle. Einen DNA-Einzelstrang verwandelte Seeman sogar durch Verflechten in einen kleeblattförmigen Knoten. Aus solchen bizarren Gebilden werden seither mobile Molekül-Einheiten gebastelt, sogenannte DNA-Motoren.

Die Forscher sprechen bei dieser molekularen Faltkunst von DNA-Origami. Sie ermöglicht es, winzige Mengen der Biomoleküle – oft selbstgesteuert – in die gewünschten Gebilde zu überführen, und das mitunter gleich in Tausenden Milliarden Exemplaren. Je nach Wunsch entstehen dabei exakt vorgegebene Nanostrukturen von ganz unterschiedlicher Größe – von wenigen Nanometern bis hin zu zehntausendfach größeren Konstrukten.

Basis für die molekulare Faltkunst sind winzige Dreiecke, Kacheln oder Gerüste aus kurzen Stücken der DNA, die sich nach festen Schemata zusammenbauen lassen. Ihre Steuerbarkeit, erklärt der US-amerikanische Genetiker Swarup Dey von der Harvard Medical School in Boston, erlaube es, die Gebilde „ähnlich wie beim Stricken“ zusammenzufügen. Das mache DNA-Origami zu einer auf einfache Weise nutzbaren und automatisierbaren Herstellungstechnologie. Inzwischen lassen sich aus molekularen Fäden und Kacheln fast beliebige Formen produzieren – wie geschaffen für neuartige Nanosysteme, zum Beispiel für die Nanoelektronik oder zum Einsatz in Molekülrobotern.

Mit Nanokugeln auf Virenjagd

Solche Gebilde aus DNA bieten einen großen Vorteil: Sie sind – quasi von Natur aus – biokompatibel. Deshalb eignen sie sich gut für biomedizinische Anwendungen wie Nanokugeln, mit denen sich Medikamente oder Impfstoffe verabreichen und gezielt in bestimmte Organe bringen lassen. Außerdem könnte man mit DNA-Käfigen im menschlichen Körper auf Virenjagd gehen. So gelang es dem Biophysiker Hendrik Dietz von der Technischen Universität München 2021, Käfige aus dreieckigen DNA-Bausteinen so zu konfigurieren, dass sie sich automatisch zu bestimmten Hohlkörpern zusammenfügen. Die Münchener Forscher im Team um Dietz erzeugten auf diese Weise nicht nur geschlossene Hohlkugeln, sondern auch Kugeln mit Öffnungen oder Halbschalen.

Wie Dietz und sein Team in einem Fachbeitrag berichten, gehen Viren in solche DNA-Fallen. Die Forscher konnten damit bereits Hepatitis-B-Viruskerne und sogenannte Adeno-assoziierte Viren einfangen. Schon eine einfache Halbschale reduziere die Virenaktivität deutlich, betont Hendrik Dietz: „Bringen wir auf der Innenseite der Hohlkugel fünf Bindungsstellen für das Virus an, beispielsweise passende Antikörper, blockieren wir bereits 80 Prozent der Viren.“ Mit noch mehr Antikörpern ließe sich sogar eine komplette Blockade erreichen, ist der Wissenschaftler überzeugt.

Der Züricher ETH-Forscher Robert Grass hingegen schätzt die speziellen Qualitäten kurzer Stücke der DNA als Datenspeicher. Dem Materialforscher genügen dafür Ketten mit nur 100 Basenpaaren. Zum Vergleich: Das menschliche Erbmolekül enthält 3,2 Milliarden Basenpaare. Die Nachweisgrenze sei phänomenal, sagt Grass: „Sogar in einem millionstel Milligramm können wir noch ein einzelnes dieser Moleküle detektieren.“

Probleme mit der Stabilität

Doch diese kurzen DNA-Stücke werfen auch Probleme auf. Die DNA-Moleküle seien nicht besonders stabil, betont der ETH-Forscher. Sie sind nur in Wasser löslich, weshalb sie sich auch nicht mit anderen Essenzen vermischen, etwa mit gebräuchlichen Polymeren. In Wasser dagegen zersetzen sich die Moleküle nach dem Erwärmen auf etwa 70 Grad Celsius innerhalb weniger Tage. „Ihre oft behauptete Stabilität bezieht sich zumeist auf Fossilien wie Dinosaurier“, erklärt Grass.

Im Permafrostboden von Alaska sei sogar rund 700.000 Jahre alte Knochen-DNA gefunden und erfolgreich sequenziert worden. „Unsere Idee war es deshalb, so etwas wie ein synthetisches Fossil zu erzeugen“, berichtet Grass.

Dazu verpacken die ETH-Forscher Informationen, die sie in DNA-Sequenzen gespeichert haben, in winzigen Kapseln aus Siliziumdioxid. Zuerst binden sie die Moleküle auf die Oberfläche einer kleinen Siliziumdioxid-Kugel, anschließend beschichten sie das Ganze erneut. Die DNA steckt dann wie in einem Sandwich zwischen der Innenkugel und der äußeren Hülle. „Dadurch ist die DNA vor zersetzenden Einflüssen geschützt“, erklärt Robert Grass, etwa vor Angriffen durch Wasser oder Sauerstoff. Die Kapseln lassen sich schließlich in das Rohmaterial für einen 3D-Drucker mischen. Damit gefertigte Objekte sind – für das menschliche Auge unsichtbar – von Abertausenden Nanokugeln durchsetzt.

Um die so gespeicherte Information wieder auszulesen, wird dem Objekt ein kleines Stück entnommen und die darin enthaltene DNA rekonstruiert. Was so simpel klingt, begeistert die Forscher. „Diese Experimente läuten eine neue Ära der Materialforschung ein“, kommentiert Fahim Farzadfard, Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Dadurch könnten „Stoffe und Objekte mit einem molekularen Gedächtnis ausgestattet werden“. Dieses Gedächtnis wäre selbst nach langer Zeit noch intakt – selbst wenn der Gegenstand inzwischen beschädigt sein sollte.

Allerdings: Die Datenspeicherung per DNA ist noch recht teuer. Sie kostet rund 1000 Euro pro Megabyte an Information. Zum Vergleich: Eine Terabyte-Festplatte mit einer Million mal so vielen Daten gibt es für rund 100 Euro zu kaufen. Da liegt es nahe, nach Anwendungen zu suchen, für die kurze DNA-Sequenzen genügen, zum Beispiel Barcodes. Dafür braucht es etwa 100 bis 200 Bits an gespeicherter Information. „Wir nehmen diesen molekularen Barcode und verpacken ihn in unseren Kapseln“, erklärt der Züricher Forscher. Die Kapseln schützen nicht nur die Moleküle mit den darin gespeicherten Daten. Sie lassen sich zudem in alle möglichen Substanzen integrieren.

Das Geheimnis des Osterhasen

Grass und sein Team rührten so programmierte Siliziumdioxid-Kapseln in die Rohstoffmasse für ein Plastikspielzeug, aus der dann per 3D-Druck ein Spielzeughase produziert wurde. „Der 3D-gedruckte Plastikhase enthält seinen eigenen Bauplan in einem DNA-Speicher“, erklärt Grass. Entnimmt man dem Objekt ein winziges Stück, extrahiert und sequenziert die DNA darin, so gewinnt man daraus die digitalen Daten – und damit lässt sich wieder ein kompletter Kunststoffhase fertigen. „Der ist dann völlig identisch mit dem Originalobjekt, da er nach der exakt gleichen Bauanleitung gefertigt wurde“, betont Grass.

Der Schweizer Wissenschaftler und sein Team zeigten auch, dass sich dieser Prozess über mehrere Generationen fortsetzen lässt. Kopierfehler, die bei der künstlichen Reproduktion unweigerlich entstehen, seien unter Kontrolle. „Wir haben in die DNA-Moleküle Mechanismen zur Fehlerkorrektur eingebaut“, berichtet Grass. „Und selbst nach sechs Generationen sind wir noch weit von einer kritischen Fehlerquote entfernt.“ Das könne man in der Biologie mit der Parthogenese vergleichen, der sogenannten Jungfernzeugung, bei der sich lebende Organismen fortpflanzen, indem sie ihre DNA aufspalten.

Ursprung und Herkunft nachweisen

Was wie ein Spiel klingt, eröffnet die Möglichkeit, damit Produkte zu identifizieren. Wenn, ähnlich wie in der Biologie, eine Informationsschicht untrennbar mit einem Objekt verschmolzen ist, sind dessen Ursprung und Herkunft nachweisbar. Damit lassen sich beispielsweise Zahnimplantate oder Elektronikgeräte fälschungssicher markieren, aber auch Datenträger etwa für vertrauliche Dokumente. MIT-Forscher Fahim Farzadfard ist überzeugt, dass sich damit auch Lieferketten von Medikamenten, Lebensmitteln und anderen Gebrauchsgütern dokumentieren lassen, bis hin zu Echtheitszertifikaten für Kunstobjekte und Schmuck.

Ein Beispiel dafür ist die Textilbranche, die mit ökologisch produzierten Gütern handelt. Sie hat das Problem, die Herkunft ihrer Rohstoffe glaubhaft nachweisen zu müssen. Zwei Doktoranden von Robert Grass nutzten die Idee der DNA-Codierung, um dieses Problem zu lösen. Käufer eines T-Shirts etwa sehen am eingenähten Etikett, dass ökologisch angebaute Baumwolle zur Herstellung verwendet wurde. Doch ob der Rohstoff aus einem bestimmten Anbaugebiet stammt, können sie nicht erkennen.

Hersteller suchen deshalb nach Möglichkeiten, um in der Baumwolle den Herkunftsort eindeutig markieren zu können – und damit später zum Beispiel in einem Pulli, Hemd oder T-
Shirt zweifelsfrei nachweisen zu können, wo genau sie angebaut wurde. DNA-Speicher bieten da eine Lösung. Allerdings: „Baumwolle wird in sehr aggressiven chemischen Prozessen verarbeitet“, berichtet Robert Grass. „Bis zum fertigen Bekleidungsstück müssen die damit gespickten Kügelchen Waschen, Bleichen und andere Torturen überstehen.“

Inzwischen ist das Verfahren erfolgreich getestet worden. Anwendbar ist es überall dort, wo die Herkunft und Lieferketten dokumentiert werden sollen – zum Beispiel bei Lebensmitteln, Pharmaprodukten oder Kunstgegenständen.

Selbst Datenmengen im Megabyte-Bereich können die Schweizer Forscher in Objekten unterbringen, beispielsweise in Brillengläsern. Dabei hilft, dass DNA als Werkstoff transparent ist – der einzige durchsichtige Informationsträger, meint Grass. In die Polymere von Brillengläsern haben die Schweizer Forscher schon Kurzfilme von je 1,4 Megabyte Datenvolumen eingespeichert – eingebettet in Abertausenden von Siliziumdioxidkügelchen. Über winzige Probenentnahmen ließen sich die Videosequenzen wieder reproduzieren.

Musikalbum in Molekülen

Die Forscher haben auch ein Album der britischen Band Massive Attack kopiert. Zum 20-jährigen Jubiläum von deren Platte „Mezzanine“ 2018 sollten sie das Album in DNA-Molekülen speichern. Die Kügelchen mit den DNA-Daten ergaben ein weißes Pulver. Einer der Bandmitglieder ist ein Sprayer-Künstler. Für ihn mischten die Forscher das DNA-Pulver in eine Spraydose, womit der Künstler ein Bild sprayte. „In der Gemäldefarbe steckte also der Song, kodiert in DNA-Molekülen“, erklärt Robert Grass, der damit demonstriert hat, wie sich Kunstobjekte mit Herkunfts- oder Echtheitszertifikaten markieren lassen.

Für MIT-Wissenschaftler Farzadfard ist das erst der Auftakt – von einem statischen zu einem dynamischen Medium. Statisch bedeutet hier: DNA-Speicher in fast beliebigen Objekten, wie sie die Forscher an der ETH Zürich entwickeln, könnten ihre Daten – unabhängig von Energie – für extrem lange Zeit aufbewahren, abgesichert für Tausende von Generationen gegen Umweltveränderungen oder Katastrophen, besser und kompakter konserviert als heutige elektronische Datenarchive.

Farzadfard entwirft bereits DNA-Materialien, die dynamisch agieren und reagieren könnten. Sie wären programmierbar, könnten Informationen detektieren, aufzeichnen und verarbeiten. Beispiele für solche „lebenden Sensoren“ haben der US-Forscher und andere bereits konstruiert. Sie reichen von molekularen Rekordern über Biosensoren bis zu synthetischen DNA-Molekülen, die in lebenden Zellen bestimmte Prozesse ausführen können.

Antennen für Erkrankungen

So implantierten die MIT-Forscher am MIT in Bakterien Biomarker-Sensoren, die bestimmte Krankheiten anzeigen, gekoppelt mit einem DNA-Recorder. Über den Mund aufgenommen würden solche technisch aufgerüsteten Zellen durch den Magen-Darm-Trakt wandern können. Auf ihrer Reise durch den menschlichen Körper könnten sie Anzeichen für bestimmte Krankheiten erkennen und, sobald sie den Körper wieder verlassen, diese Informationen dem Arzt liefern.

Ausgebracht in Tieren, ließe sich die Umwelt mit solchen künstlich veränderten Zellen dauerhaft überwachen. Der Zweck wäre beispielsweise das Monitoring von Pestiziden, Schwermetallen oder bestimmten Stoffwechselprodukten, sagen Farzadfard und sein Kollege Timothy Lu. „Das ginge ohne künstliche Energieversorgung“, erklären die Biologen, „sowie an Orten, die sich mit nicht-biologischen Sensoren nur schwer erreichen lassen.“

Fortschritte bei der Künstlichen Intelligenz sowie bei preiswerteren Technologien zum Synthetisieren und Sequenzieren von DNA-Molekülen könnten künftig völlig neue Möglichkeiten eröffnen, spekuliert der MIT-Experte Farzadfard. Er denkt dabei an „die Konstruktion von Maschinen, die wie Zellen funktionieren: selbsterhaltend und selbstreproduzierend, aber gefertigt aus nichtbiologischen Materialien mit Bauplänen, die in synthetischen DNA-Molekülen gespeichert sind.“

Wohin führt die Entwicklung?

Der Genforscher Swarup Dey von der US-amerikanischen Harvard Medical School hat eine noch weitergehende Vision, die manchen schaudern lassen dürfte: „Systeme aus DNA-Molekülen, die sich selbst reproduzieren könnten.“ Wenn sie mit geeigneten Formen von Energie und Materialien ausgestattet wären, könnten sich solche Maschinen vielleicht einmal von selbst weiterentwickeln. Die Voraussetzung dafür wäre, dass zwischen künstlich eingebauten DNA-Datenspeichern und den Objekten eine Art von biochemischem Arbeitsaustausch stattfinden kann.

„Das ist zwar noch Zukunftsmusik“, betont Robert Grass. Doch Wissenschaftler und Gesellschaft sollten frühzeitig damit beginnen, über die Folgen solcher weitreichenden Entwicklungen nachzudenken, mit denen sich die Grenze zwischen lebenden Organismen und unbelebter Materie überschreiten ließe.

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