Die DNA der Dinge

Wissenschaftler_innen erforschten, wie Alltagsgegenstände als Datenspeicher dienen können

Bild: ETH Zürich / Julian Koch: Ein 3D-Drucker druckt einen Kunststoffhasen. Im Kunststoff sind DNA-Moleküle enthalten, in denen die Druckanleitung kodiert ist.

Tiere, Pflanzen, Menschen - wir Lebewesen haben es eigentlich gut, denn alles was wichtig ist, damit wir "funktionieren" und uns fortpflanzen können, tragen wir in uns - in Form von DNA. Nicht so unbelebte Objekte: Wer mit einem 3D-Drucker einen Gegenstand herstellt, braucht zwar auch eine Bauanleitung. Jahre später dasselbe Objekt noch einmal zu drucken, ist aber nur möglich, wenn man die originalen digitalen Informationen immer noch besitzt. Im Objekt selbst ist die Druckanleitung in der Regel nicht gespeichert, dazu braucht es dann externe Datenträger.

Forschende der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit einem israelischen Kollegen eine Möglichkeit entwickelt, mit der sich in beinahe beliebigen Objekten umfangreiche Informationen wie in einem Lebewesen speichern lassen: in DNA-Molekülen.

Nanokügelchen mit DNA-"Strichcode"
Wie das funktioniert, zeigen jetzt schon am Markt vorhandene Produkte, die einfach mit einem in winzigen Glaskügelchen eingegossenen DNA-«Strichcode» gekennzeichnet werden. Diese Nanokügelchen kann man unter anderem bei geologischen Untersuchungen verwenden oder man kann damit hochwertige Nahrungsmittel kennzeichnen, um sie von Fälschungen zu unterscheiden. Der Strichcode ist dabei verhältnismässig kurz: 100 Bit (100 Stellen «0» oder «1»).

In den vergangenen Jahren ist es außerdem gelungen, sehr große Datenmengen in DNA zu speichern. Yaniv Erlich, ein israelischer Computerwissenschaftler entwickelte eine Methode, mit der es theoretisch möglich ist, 215.000 Terabytes an Daten in einem einzigen Gramm DNA zu speichern. Und Robert Grass, Professor an der ETH Zürich speicherte vor einem Jahr ein ganzes Musikalbum in DNA, was 15 Megabytes an Daten entsprach.

Grass und Erlich vereinten nun diese Ansätze zu einer neuen Datenspeicherform, wie sie im Fachmagazin Nature Biotechnology berichten. Sie nennen die Speicherform «DNA der Dinge» – in Anlehnung an das «Internet der Dinge», bei dem Objekte über das Internet mit Informationen verbunden werden.

Ein Plastikhäschen mit integrierten Ururenkeln
Als Anwendungsbeispiel stellten die Wissenschaftler mittels 3D-Druck ein Häschen aus Kunststoff her, das seine eigene Bauanleitung (im Umfang von rund 100 Kilobytes) in sich trägt. Die Forschenden fügten dazu DNA-enthaltende Glaskügelchen dem Kunststoff bei. «So wie richtige Hasen tragen auch unsere Häschen ihren Bauplan in sich», sagt Grass.

Und wie in der Biologie bleibt auch in diesem neuen technologischen Ansatz die Information über mehrere Generationen erhalten. Dies zeigten die Wissenschaftler, in dem sie aus einem kleinen Teil des Häschens die Druckinformation zurückgewannen und daraus wiederum ein neues Häschen druckten. Diesen Prozess konnten sie fünfmal wiederholen. Sie stellten also quasi «Urururenkel» des Häschens her.

"Alle anderen bekannten Speicherformen haben eine unveränderliche Geometrie: eine Festplatte muss wie eine Festplatte aussehen, eine CD wie eine CD. Man kann die Form nicht verändern, ohne Information zu verlieren", sagt Erlich. DNA sei derzeit die einzige Datenspeicherform, die auch in flüssiger Form vorliegen kann. Damit könne sie in Objekte jeglicher Form eingebracht werden.

Informationsversteck
Mithilfe dieser Technologie kann man aber auch Informationen in Alltagsobjekten verstecken. Expert_innen sprechen dabei von Steganografie. Ein berühmtes Beispiel dafür ist das geheime Archiv, das ein jüdischer Historiker und Bewohner im Warschauer Ghetto während des Zweiten Weltkriegs anlegte und in Milchkannen vor Hitlers Truppen versteckte. Dieses Archiv ist heute Teil des Weltdokumentenerbes und zählt zu den wenigen Dokumenten, die heute vom Leben im Warschauer zeugen.

Grass, Erlich und ihre Kolleg_innen verwendeten die Technologie, um einen Kurzfilm über dieses Archiv (1,4 Megabytes) auf Glaskügelchen zu speichern, die sie in ein unauffälliges Brillenglas eingossen. «Mit einer solchen Brille wäre es problemlos möglich, die Sicherheitskontrolle an einem Flughafen zu passieren und damit unerkannt Informationen von einem Ort zu einem anderen zu transportieren», sagt Erlich. Verstecken könne man die Glaskügelchen im Prinzip in allen Kunststoffobjekten, die bei der Herstellung nicht allzu hoch erhitzt werden müssen, zum Beispiel in Epoxid, Polyester, Polyurethan und Silikon.

Medikamente und Baustoffe kennzeichnen
Die Technik könnte man aber auch dazu nutzen, Medikamente oder Baustoffe zu kennzeichnen und die Informationen zu deren Qualität direkt in deren Innerem zu hinterlegen. Arzneimittelüberwachungsbehörden könnten so Messergebnisse der Produktionsqualitätskontrolle direkt aus dem Produkt herauslesen. Und bei Gebäuden ließe sich zum Beispiel bei einer Renovierung feststellen, welche Produkte von welchen Herstellern damals verwendet worden sind.

Ob das in naher Zukunft umgesetzt werden kann, ist aber noch fraglich, denn zurzeit ist die Methode noch relativ teuer. Um eine 3D-Druckdatei wie die der Häschen in DNA-Information zu übersetzen, ist mit Kosten von rund 2.000 Franken (ca 1.800 Euro) zu rechnen, sagt Grass. Davon entfällt ein Großteil auf die Synthese der entsprechenden DNA-Moleküle. Je größer die Stückzahl eines Objekts ist, desto geringer fallen die Kosten für das einzelne Stück aus. Das könnte aber durchaus der Datendatenspeicher der Zukunft sein.

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Autorin / Autor: Redaktion/ Pressemitteilung