Fünf Einzelbilder eines galoppierenden Pferdes wurden in die Sprache der DNA übersetzt und in lebende Bakterien eingeschrieben. Die Zellen gaben die Information über mehrere Generationen weiter, ohne sie zu verlieren. Später ließ sich aus dem Erbgut von Bakterien die Bildfolge wieder zusammensetzen, mit einer Genauigkeit von rund 90 Prozent. Genutzt wurde dafür ausgerechnet das Abwehrsystem, mit dem Bakterien sich Viren merken.
DNA ist ein Speichermedium mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Information steckt in der Abfolge von vier Bausteinen, und daraus ergibt sich eine Dichte, die jede Festplatte weit hinter sich lässt: Rechnerisch passt der gesamte digitale Datenbestand der Menschheit in wenige Kilogramm Erbsubstanz. Hinzu kommt die Haltbarkeit, denn aus Knochen lässt sich noch nach zehntausenden Jahren lesbare DNA gewinnen, während Magnetbänder nach Jahrzehnten unbrauchbar werden. Versuche, Daten in DNA abzulegen, gibt es seit Jahren, allerdings meist mit künstlich hergestellten Molekülen im Reagenzglas. Der weit schwierigere Weg führt in eine lebende Zelle hinein, deren Erbgut ständig kopiert, repariert und weitergegeben wird.
Für diesen Weg nutzte ein Team an der Harvard Medical School ein System, das Bakterien selbst entwickelt haben. Wird eine Zelle von einem Virus befallen, schneidet ein Proteinpaar mit den Bezeichnungen Cas1 und Cas2 ein Stück der fremden Erbinformation heraus und baut es an einer festen Stelle im eigenen Genom ein. Bei erneutem Befall erkennt die Zelle den Eindringling daran wieder. Entscheidend für die Datenspeicherung ist die Reihenfolge: Neue Abschnitte werden immer vorne angefügt, sodass die Anordnung im Genom zugleich die zeitliche Abfolge der Ereignisse abbildet. Damit lässt sich nicht nur speichern, was eingeschrieben wurde, sondern auch, in welcher Reihenfolge.
Zuerst zeigten die Forscher das Verfahren an einem einzelnen Bild, einer schwarzweißen Darstellung einer menschlichen Hand. Jedem Bildpunkt wurde eine Kombination von DNA-Bausteinen zugeordnet, dazu eine Markierung, die die Position im Bild angibt.
Für den Film übersetzten sie fünf Einzelbilder aus einer berühmten Aufnahmeserie eines galoppierenden Pferdes. An fünf aufeinanderfolgenden Tagen wurde den Bakterien jeweils ein Bild als DNA-Portion verabreicht, sodass die Zellen die Bilder nacheinander in ihr Erbgut einbauten. Anschließend wuchsen die Kulturen weiter, teilten sich vielfach, und erst danach wurde ihr Erbgut sequenziert. Aus den ausgelesenen Abschnitten ließen sich die Bilder rekonstruieren, samt korrekter Reihenfolge, wie die Harvard University zu dem Versuch berichtet. Die Genauigkeit lag bei rund 90 Prozent.
So spektakulär der Film wirkt, das eigentliche Ziel ist ein anderes. Die Forscher wollen Zellen dazu bringen, ihre eigene Geschichte aufzuzeichnen. Eine Nervenzelle im sich entwickelnden Gehirn durchläuft eine Abfolge von Zuständen, die sich bislang nur beobachten lässt, indem man das Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt entnimmt und untersucht. Damit erhält man Momentaufnahmen, aber keinen Verlauf. Könnte eine Zelle dagegen jede Veränderung selbst in ihr Erbgut schreiben, ließe sich der gesamte Ablauf später in einem Schritt auslesen, ohne das System zu stören. Denkbar wären auch Bakterien, die im Boden oder im Wasser aufzeichnen, welchen Stoffen sie über Wochen ausgesetzt waren.
Von einem praktischen Datenspeicher ist der Ansatz weit entfernt. Die Menge der eingeschriebenen Information ist winzig, das Einschreiben dauert Tage, und die Daten liegen nicht in einer einzelnen Zelle, sondern verteilt über eine ganze Population, weshalb erst die Auswertung vieler Bakterien das vollständige Bild ergibt. Auch die Genauigkeit von rund 90 Prozent wäre für Archivzwecke unzureichend. Der Wert des Experiments liegt deshalb im Nachweis des Prinzips: Eine lebende Zelle kann beliebige, von außen vorgegebene Information stabil aufnehmen, über Generationen weitergeben und später wieder herausrücken. Dass sich selbst extrem schwache Signale aus biologischem Material herauslesen lassen, wenn die Methode stimmt, zeigt auch die Messung der schwachen Eigenstrahlung des menschlichen Körpers.
Bemerkenswert bleibt der Unterschied zu jedem technischen Datenträger. Eine Festplatte muss kopiert werden, um erhalten zu bleiben; eine Bakterienkultur kopiert sich von selbst, millionenfach, ohne Strom und ohne Wartung, solange sie Nährstoffe bekommt. Was in ihrem Erbgut steht, vervielfältigt sich mit jeder Zellteilung mit. Ein galoppierendes Pferd aus den 1870er Jahren, das heute in einer Bakterienkultur weiterläuft, ist damit weniger eine Spielerei als der Beleg dafür, dass Information und Leben denselben Träger benutzen können.
Nature, CRISPR-Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria; doi:10.1038/nature23017