Ein USB-Stick fürs Erbgut: Wissenschaftler haben eine neue Methode entwickelt, um DNA auch fernab teurer Kühlhäuser zu speichern. Ähnlich wie im Film Jurassic Park bedienen sie sich dafür einer bernsteinartigen Hülle, die aus gehärtetem Kunststoff besteht. In diesem DNA-Container könnten sich künftig neben menschlichen Erbinformationen auch allerhand digitale Daten wie Fotos und Musik kodieren und abspeichern lassen, wie das Team berichtet.
Die DNA-Sequenzierung ist heute so weit fortgeschritten, frei verfügbar und günstig wie nie zuvor. Mit den gesammelten Gen-Informationen lassen sich zum Beispiel Behandlungen für Erbkrankheiten finden oder evolutionäre Stammbäume rekonstruieren. Auch bedrohte Arten könnten in Form ihrer DNA konserviert werden. Doch wohin mit den dabei anfallenden DNA-Mengen? Am verbreitetsten ist derzeit noch das Einfrieren des Erbmaterials, doch das verbraucht viel Energie, ist sehr teuer und in weiten Teilen der Welt nicht praktikabel. Es ist also an der Zeit für Alternativen.
Jurassic Park als Inspiration
Forschende um Elisabeth Prince vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) könnten nun genau eine solche Alternative gefunden haben. Die von ihnen entwickelte Methode trägt den Namen Thermoset-Reinforced Xeropreservation (kurz „T-REX“) und erlaubt es, DNA bei Raumtemperatur zu konservieren und zuverlässig gegen Wasser und Hitze bis 75 Grad abzuschirmen. Als Speichermedium und Schutzhülle für die Erbinformationen dient dabei ein bernsteinähnliches Polymer.
T-REX, Bernstein und konservierte DNA? Das klingt nicht nur nach Jurassic Park, sondern ist tatsächlich von der Filmreihe inspiriert, wie das Team erklärt. Zwar ist es anders als in den Filmen dargestellt nicht möglich, Dinosaurier-DNA aus Bernstein zu extrahieren, um damit die imposanten Urzeit-Reptilien wieder zum Leben zu erwecken. Doch neue DNA in einem bernsteinähnlichen Behälter zu konservieren, ist durchaus machbar, wie die Forschenden nun demonstriert haben.
Bernstein-ähnlicher Einschluss
Als Grundmaterial für ihren DNA-Behälter entschieden sich Prince und ihre Kollegen für Styrol, einen flüssigen Kohlenwasserstoff, der zum Beispiel auch die Basis für Styropor und andere Schaumstoffe bildet. Mischt man Styrol mit einem Vernetzungsmittel und erhitzt die entstandene Lösung, bildet sich daraus ein bernsteinähnlicher, harter Kunststoff, wie das Team berichtet.
Um die DNA sicher in dem Kunststoffblock zu verpacken, muss diese allerdings bereits in der anfänglichen Lösung enthalten sein. Sie lässt sich nicht nachträglich in die harte Kapsel einpflanzen. Doch das bringt einige Schwierigkeiten mit sich, denn Styrol und DNA reagieren aufgrund ihrer gegensätzlichen molekularen Eigenschaften nicht gut miteinander.
Auf Rezeptsuche für eine DNA-Kunststoff-Suppe
Damit aus Styrol und DNA trotzdem eine einheitliche Lösung werden kann, geben Prince und ihr Team eine Mischung aus verschiedenen Monomeren hinzu, die beide Komponenten schließlich im Verlauf einiger Stunden zueinander finden lässt. Wenn man die so entstandene Lösung jetzt erhitzt, entsteht ein glasartiger Kunststoffblock mit kugelförmigen DNA-Komplexen in seinem Inneren. In ersten Testdurchläufen konnten Prince und ihre Kollegen auf diese Weise bereits ein komplettes menschliches Genom in der bernsteinähnlichen Hülle verpacken.
Um wieder an den genetischen Inhalt der Kunststoff-Kapsel zu gelangen, muss man diese zunächst mit dem Molekül Cysteamin behandeln. Dieses aktiviert zuvor eingebaute Sollbruchstellen im Polymergehäuse. Die DNA lässt sich dann mit Natriumdodecylsulfat herauslösen – einem Tensid, das auch in Zahnpasta und einigen Reinigungsmitteln steckt.
Auch Songs, Fotos und Dokumente lassen sich abspeichern
Mit den Bernsteinkapseln lassen sich allerdings nicht nur Erbinformationen verpacken – auch andere Daten wie Bilder, Musik oder Texte können in Form von DNA gespeichert werden. Denn ähnlich wie man diese Daten zur Speicherung auf Computer oder USB-Stick in Einsen und Nullen übersetzt, kann man sie auch über die Abfolge der DNA-Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin ausdrücken.
Prince und ihre Kollegen „übersetzten“ auf diese Weise bereits die Titelmelodie von Jurassic Park, das MIT-Logo und den Text der Emanzipationsproklamation, in der US-Präsident Abraham Lincoln 1862 die Abschaffung der Sklaverei verkündete. Anschließend speicherten sie die entsprechenden genetischen Codes mit der „T-REX“-Methode in Kunststoffblöcken ab. Das Potenzial ist dabei enorm: Theoretisch bietet ein einziger Kubikmillimeter DNA genug Speicherplatz für eine Million Terrabyte Datenvolumen. Alle Daten der Welt würden demnach in eine einzige Kaffeetasse DNA passen.
Fürs Erste wollen sich die Forschenden aber weiter mit den Speichermöglichkeiten tatsächlicher Genome beschäftigen – unter anderem, um damit die personalisierte Medizin voranzubringen. (Journal of the American Chemical Society, 2024; doi: 10.1021/jacs.4c01925)
Quelle: Massachusetts Institute of Technology
