Speichern für die Ewigkeit

Jahrtausende alte Schriftrollen erlauben uns Einblicke in l?ngst vergangene Kulturen und das Wissen unserer Vorfahren. Im digitalen Zeitalter liegt ein Grossteil unseres Wissens jedoch auf Servern und Festplatten, die wohl kaum Tausende von Jahren ¨¹berdauern k?nnen. Forschende suchen deshalb nach neuen M?glichkeiten der Langzeitspeicherung grosser Datenmengen. Besondere Aufmerksamkeit ruht dabei auf einem Speichermedium aus der Natur: der Erbsubstanz DNA.

DNA bietet sich daf¨¹r an, da sich in ihr grosse Mengen an Information kompakt speichern lassen. Nur lassen sich die Daten nicht unbedingt fehlerfrei zur¨¹ckgewinnen: Durch chemischen Zerfall der DNA und Fehler beim Auslesen entstehen L¨¹cken und Fehlinformationen in den kodierten Daten. Forschende um Robert Grass, Dozent am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Z¨¹rich, zeigen nun, wie sich eine fehlerfreie Langzeitspeicherung, m?glicherweise sogar f¨¹r mehr als eine Millionen Jahre, erreichen l?sst. Zum einen verkapseln sie die informationstragenden DNA-St¨¹cke in Siliziumdioxid (Glas), zum anderen verwenden sie einen Algorithmus, um Fehler in den ausgelesenen Daten zu korrigieren.

K¨¹nstlicher fossiler Schutzmantel

Bereits vor gut zwei Jahren zeigten Forschende, dass sich Daten in Form von DNA speichern und wieder ablesen lassen. Dabei verstrich zwischen dem ?Schreiben? der Information ¨C also der Synthese der entsprechend kodierenden DNA-Sequenz ¨C und dem Auslesen nur wenig Zeit. Schon bei solch kurzen Zeitr?umen stellte die Fehleranf?lligkeit ein Problem dar, da beim Schreiben und Lesen der DNA Fehler auftreten. ?ber l?ngere Zeitr?ume kann sich DNA zudem stark ver?ndern, da sie mit der Umwelt chemisch reagiert. F¨¹r die Langzeitspeicherung stellt dies eine H¨¹rde dar. Aus fossilen Knochen l?sst sich allerdings mehrere Hunderttausend Jahre altes Erbgut isolieren und analysieren, da dieses darin verkapselt und gesch¨¹tzt vorliegt. ??hnlich wie in solchen Knochen wollten wir die informationstragende DNA durch eine k¨¹nstliche H¨¹lle sch¨¹tzen?, erkl?rt Robert Grass.

Sein Team bettete DNA hierf¨¹r in Siliziumdioxid-K¨¹gelchen von etwa 150 Nanometern Durchmesser ein. Die von den Forschern in die DNA geschriebene Information war der Schweizer Bundesbrief von 1291 sowie ?Archimedes¡® Methodenlehre von Mechanischen S?tzen?. Um in kurzer Zeit den Verfall des Informationstr?gers DNA ¨¹ber lange Zeitr?ume zu simulieren, lagerten sie diese bis zu einem Monat bei Temperaturen zwischen 60 und 70 Grad Celsius. Solch hohe Temperaturen erlauben, den chemischen Verfall mehrerer Jahrhunderte innerhalb weniger Wochen nachzuvollziehen. Auf diese Weise verglichen die Forschenden die Lagerung der DNA im Silikatmantel mit anderen g?ngigen Lagerungsmethoden: getrocknet auf Filterpapier und in ein Polymer eingebettet. Dabei stellten sich die Molek¨¹le im Silikatmantel als besonders stabil heraus. Die DNA liess sich mittels einer Fluoridl?sung einfach aus dem Material herausl?sen, und die Information aus ihr ablesen.

Da der Einschluss in Siliziumdioxid ungef?hr demjenigen in fossilen Knochen entspricht, konnten die Forschenden auf diese pr?historischen Daten ¨¹ber die Langzeitstabilit?t von verkapselter DNA zur¨¹ckgreifen. Daraus errechneten sie ihre Prognose: Bei Lagerung bei tiefen Temperaturen, wie zum Beispiel im weltweiten Saatgut-Tresor auf Spitzbergen bei minus 18 Grad Celsius, k?nnte die DNA-kodierte Information ¨¹ber eine Million Jahre ¨¹berdauern. Im Vergleich dazu lassen sich Daten auf Mikrofilm ?nur? f¨¹r sch?tzungsweise 500 Jahre bewahren.

Verlorene Datenpunkte wiederherstellen

Es reicht jedoch nicht, den Informationstr?ger ¨¹ber solch lange Zeitr?ume ohne wesentliche Besch?digung zu lagern, die Daten m¨¹ssen sich auch fehlerfrei wieder auslesen lassen. Dank riesiger Fortschritte bei Technologien zur DNA-Sequenzierung ist das Ablesen so gespeicherter Daten inzwischen erschwinglich und d¨¹rfte in Zukunft noch kosteng¨¹nstiger werden. Diese Technologien sind jedoch nicht fehlerfrei.

Um diesem Problem zu begegnen, entwickelte Reinhard Heckel vom Institut f¨¹r Kommunikationstechnik der ETH Z¨¹rich eine Methode zur Fehlerkorrektur. Diese basiert auf sogenannten Reed-Solomon-Codes, ?hnlich denen, die auch bei Daten¨¹bertragungen ¨¹ber lange Strecken, zum Beispiel beim Funkverkehr mit Weltraumsonden, zum Einsatz kommen. Der Schl¨¹ssel f¨¹r diese Methode sei zus?tzliche Information, die man an die eigentlichen Daten anh?nge, erkl?rt Heckel. ?Um eine Parabel zu definieren, braucht es eigentlich nur drei Punkte. Wir f¨¹gen quasi noch zwei weitere hinzu, falls einer verloren geht oder sich verschiebt.? Bei den DNA-codierten Daten geht es zwar um einen h?heren Komplexit?tsgrad, aber vom Prinzip her funktioniert das in der DNA mitverschl¨¹sselte Sicherheits-?Backup? der Forschenden genauso. Selbst bei Lagerung unter widrigen Umst?nden liess sich dank dieser Fehlerkorrektur die testweise gespeicherte Information, also der Schweizer Bundesbrief und Archimedes¡® Text, fehlerfrei wiederherstellen.

Welche Informationen er f¨¹r Millionen Jahre speichern w¨¹rde? Von der Unesco als besonders bedeutsam ausgezeichnete Dokumente (Memory of the World), sagt Robert Grass. Und Wikipedia. ?Manches ist dort ausf¨¹hrlich beschrieben, anderes weniger ausf¨¹hrlich. Das gibt wahrscheinlich einen guten ?berblick, was unsere heutige Gesellschaft weiss und was sie wie stark besch?ftigt.?