DNA-basierte Speicherchips, synthetische DNA und eine industrielle Allianz (Teil 2)

Weitgehend unbemerkt von der Allgemeinheit erfolgt ein kaum zu unterschätzender Umbruch – die Entstehung des Industriezweigs der Synthetischen Biologie. Es wird erwartet, dass diese Form der Biologie im kommenden Jahrhundert einen größeren Einfluss haben wird als die Computertechnik im vorherigen. Was die Synthetische DNA kann, wird verglichen mit der industriellen Revolution, nur größer.

Welche Anwendungsmöglichkeiten es dafür gibt, wurde durch den Vortrag von Dr. Charles Morgan klar. Hier sein Vortrag aus dem Jahr 2018 vor Dozenten und Kadetten der Militärakademie in West Point. Fast alles, worüber er zu diesem Zeitpunkt sprach, war bereits verfügbar.

DNA kann mittlerweile synthetisch hergestellt werden. Außerdem können beliebige Informationen in diese synthetische DNA geschrieben werden und die Daten  technisch fehlerfrei und automatisiert ausgelesen werden. Und aus der Medizin ist bekannt, dass mithilfe der Genschere CRISPR Gene in die DNA gezielt eingeschleust werden können.

Eine breite Debatte dieser Technologien, ihres Nutzens und ihrer Gefahren ist bisher nicht zu beobachten. Daher sollen in diesem Artikel zumindest einige Akteure vorgestellt und Grundlagen gelegt werden.

Speicherung von Daten mittels DNA

Ein Beispiel für aktuelle Entwicklungen ist die schon länger bekannte Speicherung von digitalen Daten mittels DNA. Mit dabei sind Microsoft, das Unternehmen Twist Bioscience und Forscher der University of Washington.

Die Idee, die DNA als Speicher für Daten zu nutzen, entstand Ende der 1980er-Jahre. In den 1990er-Jahren gelangen die ersten Experimente dazu. 2019 übertrug Microsoft die komplette Wikipedia in eine DNA-Struktur.

Seit 2019 ist es dem Unternehmen Twist Bioscience möglich, lange Oligonukleotide zu synthetisieren und diese als Speichermedium zu nutzen. Wie das genau funktioniert, finden Sie hier oder hier.

Twist Bioscience schrieb 2017 in einem Weißbuch mit dem Namen „DNA-Based Digital Storage“ („Digitale Speicherung auf DNA-Basis“), dass das Unternehmen eine neuartige Plattform für die Herstellung von synthetischer DNA entwickelt hat. Dazu werden kundenspezifisch gefertigte Siliziumwafer benutzt und „Millionen einzigartiger Oligonukleotidsequenzen in jedem Syntheselauf, mit verbesserten Synthesefehlerraten und Sequenzgleichförmigkeit gegenüber früheren Methoden“ synthetisiert.

Gearbeitet wird nun daran, Technologien zu entwickeln, um „DNA in einem noch höheren Durchsatzmaßstab zu produzieren.“

Die Technik, um Informationen mittels DNA zu speichern, ist seit einigen Jahren vorhanden. Das Lesen der DNA, das Sequenzieren, macht ebenso Fortschritte. Im Weißbuch von 2017 wurde darauf verwiesen, dass 200 MB Daten mit 100-prozentiger Genauigkeit ausgelesen wurden. Mittlerweile wird von einem Gigabyte gesprochen.

Synthetische DNA und die dauerhafte Veränderung des Erbguts

Anders gesagt, die Herstellung von DNA ist synthetisch möglich. Es ist auch möglich, Daten in diese synthetisch hergestellte DNA zu schreiben und später vollautomatisch fehlerfrei auszulesen.

Mittels der Genschere CRISPR schleusen Wissenschaftler gezielt Gene in die DNA ein. Die Zellen lesen mit CRISPR eingeschleuste DNA-Informationen ebenso aus wie den originalen genetischen Code des Menschen und folgen den dortigen Anweisungen. Der Körper eines Menschen wird so nachhaltig verändert.

Im November 2017 berichtete der britische „Independent“ vom ersten Versuch von Wissenschaftlern, die DNA eines Menschen dauerhaft zu verändern, um eine Krankheit zu heilen. Darin heißt es: „Wir machen einen Einschnitt in die DNA, öffnen sie, fügen ein Gen ein, nähen die DNA wieder zu. Unsichtbares heilen, sagt Dr. Sandy Macrae, Präsident von Sangamo Therapeutics, des kalifornischen Unternehmens, das diese Strategie zur Heilung zweier Stoffwechselkrankheiten und von Hämophilie testet. Es wird dann Teil Ihrer DNA – für den Rest ihres Lebens.“

Neue industrielle Allianz zur Nutzung von DNA-Speichern

Microsoft unterstützte Ende 2020 die Gründung einer neuen industriellen Allianz. Diese treibt die Entwicklung von DNA-Datenspeichersystemen industriell voran.

Microsoft Research und das Molecular Information Systems Lab der Universität Washington haben bereits ein vollautomatisches DNA-basiertes Datenspeicher- und -abrufsystem demonstriert – und in Zusammenarbeit mit Twist Bioscience haben sie gezeigt, dass ihr System ein Gigabyte an Daten in einem DNA-basierten Archiv speichern kann.

Bildschirmfoto der Website Microsoft Research, abgerufen am 7. Juni 2021. Foto: Epoch Times

In der Industrieallianz namens „DNA Data Storage Alliance“ sind neben den Gründern folgende Unternehmen vereint:

Ansa Biotechnologies – Die Firma stellt DNA mit Hilfe von Enzymen her.

Catalog DNA – Catalog baut etwas, was man sich wie eine Druckerpresse mit beweglichen Schriftzeichen vorstellen soll, so die Website. Anstatt Milliarden verschiedener Moleküle zu synthetisieren werden die „DNA-Schriften“ in verschiedenen Kombinationen verschoben.

École Polytechnique Fédérale de Lausanne, das Cultural Heritage and Innovation Center (Montreux Jazz Digital Project) und The Claude Nobs Foundation – Die auch als „Metamedia Center“ bekannte Organisation digitalisiert und bewahrt bedeutsame audiovisuelle Sammlungen und Kulturgüter in der Schweiz und weltweit.

DNA Script – Die Ingenieurbiologen erfanden den weltweit ersten DNA-Drucker SYNTAX™, der durch enzymatische Technologie angetrieben wird.

Die „DNA der Dinge“

Weiterhin gehören zu der Industrieallianz:

ETH Zürich, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich – 2019 berichtete ein Forscherteam mit ETH-Beteiligung von einem Durchbruch bei der „DNA der Dinge“. Damit können umfangreiche Daten beispielsweise in unbelebten Objekten wie Hemdknöpfen, Wasserflaschen oder auch Brillengläsern gespeichert und Jahre später wieder ausgelesen werden. Als Speichermedium dient die DNA, die Technologie wird mittlerweile kommerzialisiert. ETH-Wissenschaftler erzeugten 2019 auch ein komplett am Computer erstelltes künstliches Genom eines Bakteriums – ein neues Bakterium namens Caulobacter ethensis-​2.0.

Imec – Ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien.

Iridia – Ein Unternehmen im Bereich voll integrierter DNA-basierter Speicherchips.

Molecular Assemblies – Das Unternehmen entwickelte eine enzymatische DNA-Synthesetechnologie. Ihre DNA-Synthesemethode ist nach Angaben ihrer Website darauf ausgelegt, lange, qualitativ hochwertige, sequenzspezifische DNA zuverlässig, kostengünstig und nachhaltig zu produzieren – inspiriert von der Natur.

Molecular Information Systems Lab – Das MISL an der University of Washington erforscht die Überschneidung von Informationstechnologie und Manipulation auf molekularer Ebene.

Diese industrielle Allianz umfasst nicht alle Unternehmen, die mit DNA-Speichern arbeiten. Auch andere Unternehmen nutzen DNA-Speicher für große Datenmengen, wie beispielsweise Western Digital für die Personensuche.

Bio-Macht und Bio-Politik – Totalitärer Zugriff auf jeden Einzelnen

Wer die DNA der Menschen beherrscht, erhält eine unübersehbare und nicht zu überschätzende Macht. Die aktuellen Entwicklungen fügen dem schon älteren Begriff der „Bio-Macht“ eine völlig neue Facette hinzu.

1977 entwickelte einer der bedeutendsten Denker des 20. Jahrhunderts, der französische Philosoph und Soziologe Michel Foucault, die Begriffe Bio-Macht und Bio-Politik.

Bio-Macht bezieht sich in seinem Sinn nicht auf den einzelnen Menschen, sondern auf die gesamte Bevölkerung. Es geht beispielsweise um die Regulierung der Geburten- und Sterblichkeitsrate, des Gesundheitsniveaus und anderer biologischer Prozesse der Menschen durch Regierungen und die Politik. Man könnte es ein Gesundheits-Regime nennen.

Der Italiener Giorgio Agamben, einer der bekanntesten Philosophen der Gegenwart, versteht Bio-Macht als Herrschaft des Souveräns über das „nackte Leben“. Der „Homo sacer“, das Hauptwerk von Agamben, greift die Begriffe von Foucault auf und entwickelt seine Gedanken weiter.

Das Leben selbst steht bei dieser Macht auf dem Spiel, schreibt Agamben. Durch synthetische DNA entstehe ein totalitärer Zugriff auf jeden Einzelnen, der Ausnahmezustand sei das neue Paradigma des Regierens.