Der Marburger Informatiker Professor Dr. Dominik Heider forscht mit dem Team des „MOSLA“-Projekts zur Speicherung digitaler Information in DNA. Foto hessian.AI

17.02.2023 (wm/red) Die Masse digitaler Daten steigt enorm, doch die gängigen Speichermedien überdauern nur verhältnismäßig kurz, in der Regel nur wenige Jahre. „Die hohe Informationskapazität und lange Lebenserwartung der DNA, verbunden mit sinkenden Kosten für die DNA-Synthese und -Sequenzierung, macht DNA zu einer attraktiven Alternative zur herkömmlichen Datenspeicherung“, sagt der Marburger Informatiker Professor Dr. Dominik Heider, der Leitautor des Fachaufsatzes dazu. Er leitet das Marburger Forschungsprojekt „MOSLA“, das DNA als molekularen Speicher zur Langzeit-Archivierung in den Blick nimmt.

Der Marburger Forschungsverbund „MOSLA“ testete, wie sich Daten in Molekülstrukturen umsetzen lassen. Will man digitale Informationen in Form von DNA aufbewahren, so empfiehlt sich das Kodierungsschema DNA-Aeon, um die Originaldaten in DNA-Code umzuwandeln. DNA-Aeon zeichnet sich insbesondere durch eine überlegene Fehlerkorrektur aus. Das hat ein Vergleich mit anderen Kodierungsschemata gezeigt, den ein Team des Marburger Forschungsverbunds „MOSLA“ im Wissenschaftsmagazin „Nature Communications“ vorstellt.

Transfer digitaler Informationen in eine DNA-Sequenz

„In DNA-Speichern werden die digitalen Informationen zunächst in eine DNA-Sequenz übersetzt“, erklärt Heiders Mitarbeiter Marius Welzel, der Erstautor des Fachaufsatzes. Im nächsten Schritt wird die DNA gemäß dieser Vorlage synthetisiert, also chemisch hergestellt. „Die Buchstabenfolge der DNA kann jederzeit mit Sequenzierern ausgelesen werden, um die gespeicherten Informationen abzurufen.“

Jeder dieser Schritte kann zu Fehlern führen. Beim Schreiben, Speichern und Lesen von DNA sind etliche Besonderheiten zu berücksichtigen, die DNA-Sequenzen einhalten müssen. So muss die DNA einen bestimmten Gehalt von zwei ihrer vier wiederkehrenden Einzelbausteine aufweisen. Fachleute sprechen vom CG-Gehalt.

Die Marburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überprüften, wie das Kodierungsschema DNA-Aeon gegenüber Konkurrenzprodukten abschneidet. Der Vergleich mit anderen Codes belegt, dass DNA-Aeon bessere Fehlerkorrekturmöglichkeiten bietet, obwohl die DNA-Synthese geringere Kosten verursacht. „Die mit DNA-Aeon kodierten Daten weisen keine unerwünschten Muster auf, was die Widerstandsfähigkeit gegen Fehler erhöht“, berichtet Heider. „Unsere Tests zeigen eine hohe Zuverlässigkeit von DNA-Aeon“.

Professor Dr. Dominik Heider leitet die Arbeitsgruppe Data Science in der Biomedizin an der Philipps-Universität Marburg. Er ist Sprecher des Forschungsprojekts „MOSLA“. Neben den Teams von Heider und Professor Dr. Bernd Freisleben aus dem Fachbereich Mathematik und Informatik der Philipps-Universität Marburg beteiligte sich die Arbeitsgruppe von Professorin Dr. Anke Becker aus dem Marburger Forschungszentrum für Synthetische Mikrobiologie an der Forschungsarbeit.

Originalveröffentlichung: Marius Welzel & al.: DNA-Aeon Provides Flexible Arithmetic Coding for Constraint Adherence and Error Correction in DNA Storage, Nature Communications 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36297-3