Die patentierte Verkapselungstechnologie von Robert N. Grass (rechts) und Wendelin Stark (links) liefert einen robusten DNA-Barcode und wurde bereits für die Nachverfolgung in Lieferketten eingesetzt. © Europäisches Patentamt
Ein Verfahren, das DNA-Stränge nutzt, um digitale Daten sehr lange zu speichern, bescherte dem Vorarlberger Robert N. Grass den Europäischen Erfinderpreis in der Kategorie „Forschung“.
Eine Vision und eine unglaubliche Idee: Der Vorarlberger Forscher Robert N. Grass (41) hat mit seinem Kollegen Wendelin Stark (43) ein Datenspeicherungsverfahren entwickelt, mit dem Daten in DNA-Form in winzigen Glaskugeln versiegelt und fehlerfrei auch nach Jahrtausenden wieder genutzt werden können.
„Ein DNA-Speicher, so groß wie ein USB-Stick. Darauf ist Erbgut für eine halbe Ewigkeit gespeichert oder eine Million Netflix-Folgen. Beides geht sich aus. Das finden nicht nur Serien-Junkies genial, sondern brachte auch den Europäischen Erfinderpreis“, zeigt sich Patentamtspräsidentin Mariana Karepova begeistert und gratuliert herzlich. „Robert N. Grass ist überzeugt, dass seine Erfindung bald vermarktet wird und von den Menschen genutzt wird. Genau deswegen steht sein Patent mit auf dem Podest.“
Digitale Daten über Jahrtausende sichern
Die Menschheit produziert eine unendliche Menge an Daten, die auf Festplatten und Servern mit einer beschränkten Lebensdauer von oftmals nicht länger als einem Jahrzehnt gespeichert werden. Während also Magnetbänder, Disketten und irgendwann auch USB-Sticks anfangen, zu zerfallen und sich zu zersetzen, ebnen Grass und Stark den Weg für eine Langzeitdatenspeicherung, die diese begrenzte Haltbarkeit überwindet, indem sie die DNA-Speicherfähigkeiten von Fossilien nachahmt.
Die neuartige Methode zur Datenerhaltung und -speicherung basiert auf künstlich eingeschlossener DNA in winzigen Glaskugeln. Digitale Daten werden in einen genetischen Code, der aus einer entsprechenden Sequenz der vier DNA-Basenpaare besteht, umgewandelt und auf einem DNA-Strang gespeichert. Dass diese Form der Datenspeicherung möglich ist, haben bereits andere Wissenschaftler, wie der US-Genetiker George Church im Jahr 2012, bewiesen.
Die bisherige Herausforderung der DNA-Datenspeicherung lag jedoch vielmehr darin, dass ungeschützte DNA-Stränge sich sehr schnell chemisch zersetzen, sobald sie Wasser, Luft und Hitze ausgesetzt sind. Grass und Stark ließen sich für ihren Lösungsansatz von Fossilien inspirieren. Denn Fossilien konservieren DNA über Hunderttausende von Jahren.
Technologischer Fortschritt erfordert Blick über den Tellerrand
Mit Hilfe von innovativen und disziplinübergreifenden Ansätzen, unter anderem aus der Verkapselung- und Synthesetechnik, gelang es den beiden, synthetische DNA in Glaspartikel einzuschließen, die bis zu 10.000-mal dünner sind als ein Blatt Papier. Diese nicht-porösen „Glasfossilien“ schützen die DNA vor den meisten Korrosionsmedien und Temperatureinflüssen und können mit einer Fluoridlösung wieder aufgelöst werden, ohne dabei die Information auf dem DNA-Strang zu beschädigen.
Nach einer einwöchigen Lagerung bei 70 °C, – das entspricht den Umwelteinwirkungen von ca. 2.000 Jahren bei durchschnittlichen Temperaturen in Mitteleuropa – konnte das Team von Grass eine fehlerfreie Datenwiederherstellung erreichen.
Netflix-Serie und Musikalbum bald im DNA-Format abrufbar?
2018 – genau 20 Jahre, nachdem das Album „Mezzanine“ der Gruppe Massive Attack veröffentlicht wurde – legten Grass und Stark das Album im DNA-Format neu auf, indem sie eine 15 MB große Datei in Stränge synthetischer DNA codierten. Weitere Bekanntheit erlangte das Forschungsteam, als sie 2020 die erste Episode der Netflix-Serie „Biohackers“ – eine 100 MB große Videodatei – erfolgreich auf DNA speicherten. Zwar schränken derzeit die hohen Kosten für das Schreiben und Speichern größerer Datenmengen den kommerziellen Einsatz noch stark ein, dennoch rückt das Datenspeicherungspotenzial von Grass und Starks Erfindung immer mehr in den Vordergrund.
So zum Beispiel werden die Glasfossilien, die sich als äußerst nützlicher und robuster DNA-Barcode für Tracking-Zwecke erwiesen haben, bereits eingesetzt, um unterirdische Wasserflüsse zu verfolgen oder Produkte in Lieferketten zu verifizieren. „Wir stellen uns in nicht allzu ferner Zukunft eine Welt vor, in der das Lesen von DNA wirklich als Alltagstechnologie zugänglich ist“, sagt Grass. „In der Welt, in der wir arbeiten, ist das Lesen und Schreiben von DNA so, als würde man einen Stift und Papier nutzen – ein viel alltäglicheres Medium, mit dem die Menschen interagieren können.“ (BO)
ZUR PERSON
Robert N. Grass – Spitzenforscher aus Bregenz
Grass, geboren in Bregenz, studierte ab 1999 Chemieingenieurwesen an der ETH Zürich und lernte dort Wendelin Stark im Jahr 2004 kennen, als er einer von Starks ersten Doktoranden war. Grass promovierte an der ETH Zürich im Jahr 2007 mit einer Arbeit zum Thema Nanopulversynthese und -anwendung. Anschließend gründete Grass die ETH-Spin-off-Unternehmen TurboBeads LLC und hemotune AG und war 2016 Mitbegründer des ETH-Spin-offs Haelixa AG, welche die glasverkapselte DNA-Speichermethode kommerzialisiert. Als Titularprofessor am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften forscht er weiterhin an der ETH Zürich und wird in 13 europäischen Patenten als Erfinder genannt.