Ein Forschungsteam schafft die Basis f\u00fcr DNA-Datenspeicher. Codes auf Basis von Fraktalen erm\u00f6glichen die Nutzung von DNA zur Langzeitspeicherung.
\nEin neuer Algorithmus erlaubt die Erzeugung von DNA-W\u00f6rtern, die das Speichern von digitalen Informationen in DNA erm\u00f6glichen. Das Verfahren aus der Marburger Informatik ber\u00fccksichtigt etliche Besonderheiten des Speichermediums: Wenn Informationen in DNA kodiert werden, d\u00fcrfen zum Beispiel keine Kombinationen entstehen, die bei der Erzeugung oder weiteren Nutzung der DNA zur Langzeitspeicherung st\u00f6ren.
\nDie beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berichten in der Fachzeitschrift „Nucleic Acids Research“ \u00fcber ihre Ergebnisse. Die Masse digitaler Daten steigt enorm, doch die g\u00e4ngigen Speichermedien \u00fcberdauern nur verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig kurz, in der Regel nur wenige Jahre. Das Forschungsprojekt „MOSLA“ nimmt die Erbsubstanz DNA als molekularen Speicher zur Langzeit-Archivierung in den Blick.
\n„Wir beschreiben in unserer Studie einen neuartigen Ansatz, der die Konstruktion von W\u00f6rterb\u00fcchern f\u00fcr DNA-Speicher erm\u00f6glicht, wobei er benutzerdefinierte Einschr\u00e4nkungen einh\u00e4lt“, erl\u00e4uterte der Informatiker Prof. Dr. Dominik Heider von der Philipps-Universit\u00e4t, der die Forschungsarbeit leitete. „In DNA-Speichern werden die digitale Informationen zun\u00e4chst in eine DNA-Sequenz \u00fcbersetzt“, erkl\u00e4rte Heiders Mitarbeiterin Dr. Hannah Franziska L\u00f6chel.
\nDie Erstautorin des Fachaufsatzes erg\u00e4nzte die weiteren Verfahrensschritte: Im n\u00e4chsten Schritt wird die DNA gem\u00e4\u00df dieser Vorlage synthetisiert, also chemisch hergestellt. „Die Buchstabenfolge der DNA kann jederzeit mit Sequenzierern ausgelesen werden, um die gespeicherten Informationen abzurufen.“
\nDie Konstruktion der DNA unterliegt jedoch einigen Beschr\u00e4nkungen. Das betrifft beispielsweise die Zusammensetzung der DNA-Sequenz, dem sogenannten „GC-Gehalt“. Werden diese Beschr\u00e4nkungen nicht eingehalten, so kann es zur Bildung von Schleifen, Spiralen oder zuf\u00e4lligen Verschlingungen kommen, die ein gleichm\u00e4\u00dfiges Ablesen der DNA-Sequenz verhindern.
\n„Eine weitere wichtige Einschr\u00e4nkung, die die Forschung jedoch bislang \u00fcbersehen hat, sind unerw\u00fcnschte Motive, die f\u00fcr die Synthese, Sequenzierung und Speicherung von DNA-Sequenzen relevant sind“, legte Heider dar. Dabei handelt es sich um kurze Sequenzabschnitte auf der DNA, an denen zum Beispiel Enzyme ansetzen, die das Erbmolek\u00fcl schneiden, es vervielf\u00e4ltigen oder die darin enthaltenen Informationen ablesen.
\nDas Team um Heider fand einen neuartigen Ansatz, um DNA-W\u00f6rter zu erzeugen, die den genannten Bedingungen gehorchen. „Unser Modell berechnet alle m\u00f6glichen Code-W\u00f6rter einer bestimmten L\u00e4nge und schlie\u00dft diejenigen W\u00f6rter aus, die nicht den gegebenen Beschr\u00e4nkungen entsprechen“, f\u00fchrte L\u00f6chel aus. „Das neue Modell basiert auf Fraktalen, das sind selbst\u00e4hnliche Muster, die sich h\u00e4ufig in der Natur finden lassen.“
\nUm die Leistungsf\u00e4higkeit der Methode zu \u00fcberpr\u00fcfen, verglich die Forschungsgruppe ihren Ansatz mit anderen Algorithmen auf dem aktuellen Stand der Technik. „Andere Ans\u00e4tze erf\u00fcllen nicht alle Bedingungen, die unser Verfahren ber\u00fccksichtigt, obwohl sie f\u00fcr die Informationsspeicherung in DNA wichtig sind“, hob die Informatikerin hervor. Die W\u00f6rterb\u00fccher, die mit dem Marburger Modell erstellt werden, lassen sich somit als Grundlage f\u00fcr beliebige DNA-Speichercodes verwenden.
\n„Soweit wir wissen, ist dies der erste Algorithmus, der DNA-W\u00f6rter konstruiert, die nicht nur die in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen Beschr\u00e4nkungen einhalten, sondern auch beliebige unerw\u00fcnschte Motive ausschlie\u00dfen“, fasste Heider zusammen. Heider leitet die Arbeitsgruppe „Data Science in der Biomedizin“ an der Philipps-Universit\u00e4t. Er ist Sprecher des Forschungsprojekts „MOSLA“, das durch das hessische F\u00f6rderprogramm „LOEWE“ finanziert wird.<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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