MIT-Forschende speichern DNA und Daten in künstlichem Bernstein

Im Film „Jurassic Park“ extrahierten Wissenschaftler DNA, die Millionen von Jahren in Bernstein konserviert worden war, und nutzten sie, um längst ausgestorbene Dinosaurier wieder zum Leben zu erwecken. Inspiriert von diesem Film haben Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein glasartiges, bernsteinähnliches Polymer entwickelt, das für die Langzeitspeicherung von DNA verwendet werden kann. Dieses Polymer ermöglicht die Speicherung von ganzen menschlichen Genomen oder digitalen Dateien wie Fotos bei Raumtemperatur und schützt die DNA vor Schäden durch Hitze oder Wasser.

Die Herausforderung der aktuellen DNA-Speichermethoden

Derzeitige Methoden zur Speicherung von DNA erfordern Gefriertemperaturen, was viel Energie verbraucht und in vielen Teilen der Welt nicht umsetzbar ist. Das neue Polymer des MIT kann hingegen DNA bei Raumtemperatur speichern. Dies bietet eine praktische und kostengünstige Lösung für die Langzeitspeicherung.

Die MIT-Forschenden haben gezeigt, dass sie mit diesem Polymer sowohl DNA-Sequenzen, die die Titelmusik von Jurassic Park kodieren, als auch ein ganzes menschliches Genom speichern können. Zudem lässt sich die DNA leicht aus dem Polymer entfernen, ohne dass sie dabei beschädigt wird. „Das Einfrieren von DNA ist die beste Methode, um sie zu konservieren, aber es ist sehr teuer und nicht skalierbar“, sagt James Banal, ein ehemaliger Postdoc am MIT. Die neue Methode könnte die Zukunft der Speicherung digitaler Informationen auf DNA revolutionieren.

Die Technik hinter dem Polymer

DNA ist ein stabiles Molekül, das sich gut für die Speicherung großer Mengen an Informationen eignet. Digitale Speichersysteme kodieren Text, Fotos und andere Informationen als eine Reihe von Nullen und Einsen. Dieselben Informationen können in der DNA mit den vier Nukleotiden A, T, G und C kodiert werden. Die DNA bietet eine Möglichkeit, diese digitalen Informationen in sehr hoher Dichte zu speichern: Theoretisch könnte eine Kaffeetasse voller DNA alle Daten der Welt speichern. Zudem ist die DNA sehr stabil und relativ einfach zu synthetisieren und zu sequenzieren.

Im Jahr 2021 entwickelten Banal und sein Postdoc-Berater Mark Bathe eine Methode zur Speicherung von DNA in Siliziumdioxidpartikeln, die mit Markierungen versehen werden konnten. Diese Arbeit führte zur Gründung eines Unternehmens namens Cache DNA. Allerdings hat dieses Speichersystem Nachteile, da es mehrere Tage dauert, bis die DNA in die Siliziumdioxidpartikel eingebettet ist. Außerdem wird Flusssäure benötigt, um die DNA aus den Partikeln zu entfernen, was gefährlich sein kann.

Entwicklung des neuen Polymers

Um alternative Speichermaterialien zu finden, arbeitete Banal mit Jeremiah Johnson und Mitgliedern seines Labors zusammen. Ihre Idee war, ein Polymer zu verwenden, das als abbaubarer Duroplast bekannt ist. Dieses Material enthält spaltbare Verbindungen, die leicht gebrochen werden können, sodass das Polymer kontrolliert abgebaut werden kann. Das resultierende Material, ein vernetztes Polystyrol, ist sehr hydrophob und verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit, die die DNA beschädigen könnte. Die Forscher tauften ihre Methode T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation).

Die Einbettung der DNA in das Polymernetzwerk dauert nur wenige Stunden. Zur Freisetzung der DNA wird Cysteamin hinzugefügt, das die Bindungen im Polystyrol-Duroplast spaltet, und ein Detergens namens SDS löst die DNA vom Polystyrol, ohne sie zu beschädigen. Mit dieser Methode konnten die Forschenden DNA unterschiedlicher Länge einkapseln, von kurzen Sequenzen bis hin zu einem ganzen menschlichen Genom.

Nach der Speicherung und Entnahme der DNA sequenzierten die Forscher sie und stellten fest, dass keine Fehler aufgetreten waren. Zudem zeigte sich, dass das Polymer die DNA vor Temperaturen bis zu 75 Grad Celsius schützen kann.

Zukunft der DNA-Speicherung

Cache DNA, das von Banal und Bathe gegründete Unternehmen, arbeitet nun an der Weiterentwicklung dieser DNA-Speichertechnologie. Eine mögliche Anwendung ist die Speicherung von Genomen für die personalisierte Medizin. Banal erläutert: „Die Idee ist, warum bewahren wir nicht die Hauptaufzeichnung des Lebens für immer auf?“ Banal weiter: „In zehn oder 20 Jahren, wenn die Technologie viel weiter fortgeschritten ist, als wir es uns heute vorstellen können, könnten wir mehr und mehr lernen. Wir stehen noch ganz am Anfang, wenn es darum geht, das Genom zu verstehen und wie es mit Krankheiten zusammenhängt.“