DNS gilt als eines der dichtesten und haltbarsten Speichermedien, die die Natur kennt – deshalb versuchen Forschungsteams seit Jahren, Texte und Messreihen in Erbgutmoleküle zu schreiben. Im EU-finanzierten Projekt HYPERION ist genau das jetzt auf einem gewöhnlichen Siliziumchip gelungen, in Wasser statt in aggressiven Lösungsmitteln, und zwar für 64 Sequenzen parallel. Am spannendsten ist allerdings, woran die Methode dann doch hängen blieb – und genau darum geht es im Test am Schluss: ob du das echte Nadelöhr suchst oder das nächstbeste.
Ein Molekül, das die Bauanleitung für einen ganzen Organismus trägt, kann im Prinzip auch einen Text tragen. Genau das ist die Idee hinter der DNS-Datenspeicherung: Information sitzt dort außerordentlich dicht beieinander und bleibt stabil, ohne Strom, ohne Kühlung, ohne ständiges Umkopieren. Für Rechenzentren, die heute Kopien von Kopien auf immer neue Festplatten schieben, ist das eine verlockende Perspektive.
Das EU-finanzierte Projekt HYPERION arbeitet an genau dieser Frage – und zwar nicht an der Theorie, sondern am Schreibvorgang: Wie bekommt man Daten überhaupt in die DNS hinein, schnell genug und ohne halbes Chemielabor?
Die klassische Methode, DNS künstlich herzustellen, ist die Phosphoramidit-Chemie. Sie funktioniert zuverlässig, arbeitet aber mit aggressiven organischen Lösungsmitteln und gehört deshalb in spezialisierte Labore. Wer Sequenzen braucht, bestellt sie dort und wartet. Eine Schreibtechnik, die irgendwann sehr große Datenmengen aufnehmen soll, lässt sich auf diesem Weg nur schwer skalieren – und umweltfreundlich ist sie ebenfalls nicht.
Die Alternative heißt enzymatische Synthese. Sie ahmt nach, was Zellen ohnehin tun: Enzyme hängen Baustein für Baustein an einen wachsenden Strang, und das Ganze läuft in Wasser ab. Sauberer, milder, näher an der Natur – aber lange ohne die Präzision, die man braucht, wenn viele verschiedene Sequenzen gleichzeitig entstehen sollen.
Das Team hinter HYPERION hat sich diese Präzision aus einer unerwarteten Richtung geholt: aus der Halbleitertechnik.
Der verwendete Chip war ursprünglich für etwas ganz anderes gebaut: Er sollte die elektrische Aktivität von Nervenzellen aufzeichnen. Seine Stärke ist, dass er an sehr vielen Punkten gleichzeitig Ströme extrem fein steuern kann.
Donhee Ham, Professor an der Harvard University und Hauptautor der Studie, beschreibt den Gedankensprung so: „Irgendwann fragten wir uns, ob sich diese Stromsteuerung von Zellen auf Moleküle übertragen ließe – indem man die den Neuronen zugewandten Elektroden durch Ringelektrodenpaare ersetzt, die den pH-Wert für die DNS-Synthese lokalisieren. Das funktionierte.“
Der Kniff steckt in der Chemie des Ortes. Statt jede Position mechanisch anzusteuern, erzeugt der Chip dort ein saures Mikroklima, wo etwas passieren soll:
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Electronics erschienen.
Spannend wurde es beim Versuch, die Syntheseorte dichter zu packen. Erwartbar wäre gewesen, dass irgendwann der Chip nicht mehr mitkommt. Tatsächlich lag es an den Molekülen: Zwischenprodukte aus dem Entfernen der Schutzgruppen verteilen sich, sobald die Stellen zu eng beieinanderliegen.
Han Sae Jung, einer der Hauptmitautoren, fasst es so zusammen: „Der Chip hat genau das getan, was wir von ihm erwartet haben: Er hat an ausgewählten Stellen einen niedrigen pH-Wert erzeugt. Die Grenze resultierte aus der Deprotektionschemie, nicht aus dem Silizium.“
Die weitere Arbeit richtet sich deshalb auf eine direktere, säuregesteuerte Deprotektionschemie, die mit der Kapazität des Chips Schritt halten kann. Woo-Bin Jung, ebenfalls Hauptmitautor, ordnet ein, worauf es dabei ankommt: darauf, ob sich weit mehr als 64 Sequenzen parallel herstellen lassen – erst dann wäre ein umweltfreundlicher Weg zum Schreiben von DNS in sehr großem Maßstab in Sicht.
An diesem einen Ergebnis hängen drei Studienrichtungen gleichzeitig. Die Elektronik liefert den Chip und seine Ansteuerung, die Chemie liefert die Enzyme und das Problem mit den Schutzgruppen, die Informatik liefert die Frage, wie sich Bits überhaupt sinnvoll in vier Buchstaben übersetzen und wieder fehlerfrei zurückholen lassen. Wer in einem dieser Fächer sitzt, arbeitet hier zwangsläufig mit den beiden anderen zusammen.
Und noch etwas lässt sich mitnehmen: Das Ergebnis ist nicht nur ein Rekord, sondern die Verschiebung eines Engpasses. Herauszufinden, dass das Hindernis woanders liegt als vermutet, gehört in der Forschung oft zum Wertvollsten – es sagt dem nächsten Team, wo es ansetzen muss.
Ein für Nervenzellen gebauter Siliziumchip schreibt inzwischen DNS, in Wasser und an 64 Stellen gleichzeitig; als Beleg steht ein Text von 169 Byte im Erbgutalphabet. Der eigentliche Gewinn ist aber die klare Diagnose: Nicht das Silizium bremst, sondern die Chemie, mit der die Schutzgruppen entfernt werden. Damit ist die nächste Aufgabe benannt – und sie liegt in einem anderen Labor als gedacht.
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