DNA in Glas

Proben von Mammuts, Höhlenbären, etc. zeigen es: Sequenzierfähige DNA kann Zehn- bis Hunderttausende von Jahren alt sein. Dass die Speicherung von DNA nicht nur auf Fossilien in Permafrost beschränkt ist, sondern auch in Glas in der Art eines „fossilen Knochens“ funktioniert, dokumentieren Robert N. Grass und Kollegen von der ETH Zürich in ihrer Zuschrift in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Seit einigen Jahren gibt es Ansätze, die „Sprache“ von DNA zu nutzen, um digitale Informationen darin zu codieren und zu speichern. „Diese Ansätze können jedoch mit Fehlern nicht effizient umgehen und sind daher nicht zuverlässig“, erläutern Grass und Kollegen. „Außerdem benennen diese Ansätze keine (physikalische) Speicherform, um DNA dauerhaft stabil zu halten“.

Daher kombinierten die Forscher ein korrekturfähiges Codierungsschema mit der Einbettung von informationstragenden DNA-Stücken in eine Siliciumdioxidmatrix. Die somit verkapselte DNA ließ sich durch einfachen Fluoridaufschluss wieder extrahieren, sequenzieren und fehlerkorrigiert decodieren. „Die Experimente zeigen, dass nur durch eine Kombination dieser beiden Verfahren digitale Information aus DNA wiedererhalten kann, die unter den Bedingungen des weltweiten Saatgut-Tresors (bei -18 °C) mehr als 1 Million Jahre aufbewahrt wird“, erläutern die Forscher

Um die unterschiedlichen Bedingungen zu simulieren, verglichen die Wissenschaftler verschiedene Aufbewahrungsformen miteinander: Die codierte DNA lag entweder getrocknet, auf Filterpapier aufgetragen, in eine Polymermatrix eingebettet oder in Siliciumdioxidglas verkapselt vor.

Über vier Wochen hinweg setzten sie diese Proben verschiedenen Temperaturen und unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit aus und prüften im Anschluss die Integrität der DNA. Extrapoliert auf tiefe Temperaturen (wie zum Beispiel im Permafrost vorhanden) bewies die Glasverkapselung die deutlich beste Integrität. Nach diesen Experimenten wäre es über simulierte 1 Million Jahre möglich, die in der DNA gespeicherte Information fehlerfrei wieder auszulesen.

Die Wissenschaftler wählten als Anwendungsbeispiel zwei historische Texte aus, zum Einen den Schweizer Bundesbrief von 1291, zum Anderen die englische Übersetzung des antiken Palimpsest von Archimedes über die Grundzüge der Integralrechnung. Die Buchstaben des Texts (oder, wie die Autoren betonen, auch allgemein zwei Bytes einer digitalen Datei) wurden immer paarweise in Dreierelemente übertragen und diese dann in 158 Nukleotide lange DNA-Sequenzen überführt.

Außer der codierten Originalinformation enthalten die somit synthetisierten DNA-Sequenzen Indexeinträge und Redundanzelemente für die effektive Fehlerkorrektur nach dem Reed-Solomon-Verfahren. Die Natur speichert Erbinformation für die Evolution der Lebewesen. Die Menschen speichern Informationen, um Wissen weiterzugeben. Über Zeiträume von Millionen von Jahren hinweg kann das in der Form von DNA durchaus sinnvoll sein.

Angewandte Chemie: Presseinfo 04/2015

Autor: Robert N. Grass, ETH Zürich (Switzerland), http://www.fml.ethz.ch/the-lab/people/lecturer.html

Permalink to the original article: http://dx.doi.org/10.1002/ange.201411378

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