Biowissenschaftler träumen schon seit geraumer Zeit von einer Festplatte auf DNA-Basis, mit der sich Daten zuverlässig, in jedem beliebigen Maßstab und für sehr lange Zeit speichern lassen. Das dürfte auf absehbare Zeit noch ein Traum bleiben. Mit neuen DNA-Schreib- und -Leseköpfen kommen sie der Sache aber schon recht nahe.
2018 wurden weltweit etwa 33 Zettabyte (1021 Bytes) digitale Daten generiert, bis 2025 soll sich die jährliche Menge auf mindestens 175 Zettabyte erhöhen. Durch die immer größer werdenden Datenmengen wächst auch der dafür benötigte Speicherplatz. Zudem ist es für einige Anwendungen notwendig, Daten dauerhaft zu speichern – zum Beispiel bei der Archivierung von Dokumenten. Moderne Speichermedien wie Festplatten, CD/DVD und USB-Sticks haben aber nur eine begrenzte Haltbarkeit von etwa dreißig Jahren.
Informationen, die in DNA gespeichert sind, können dagegen auch noch aus Jahrtausende alten Knochen extrahiert werden und liefern Einblicke in die Welt unserer Vorfahren. DNA rückt deshalb zunehmend als Speichermedium der Zukunft in den Fokus von Wissenschaftlern.
DNA-Schreib- und Leseköpfe, die auf CRISPR-Basen-Editing basieren, speichern Informationen in der DNA von Zellen. Illustration: MIT
Ein Vorreiter bei der Entwicklung sogenannter DNA-Schreiber (DNA-Writer) ist der Spezialist für Synthetische Biologie, Timothy Lu vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Schon 2014 stellte er mit seinem Doktoranden Fahim Farzadfard das SCRIBE (Synthetic Cellular Records Integrating Biological Events)-Verfahren vor, mit dem sich genomische DNA in einen „Kassettenrekorder“ verwandeln lässt, der Informationen in lebenden Zellen aufzeichnet (Science, 346, 1256272).
SCRIBE kann die Informationen aber nur schreiben und nicht lesen. Das war für Lus Gruppe Ansporn genug, den DNA-based Ordered Memory and Iteration Network Operator, kurz DOMINO, zu kreieren, der mit einem Lese- und Schreib-Kopf für DNA ausgestattet ist (Mol. Cell 75: 1-12). DOMINO verwandelt die DNA lebender Zellen mithilfe von CRISPR-Basen-Editoren in ein beschreib- und lesbares Speichermedium, dessen Informationen jederzeit gespeichert und abgerufen werden können.
Der DOMINO-Operator ist aber mehr als eine „lebende Festplatte“: Er zeichnet auch zelluläre Abläufe oder Umwelteinflüsse auf, die auf die Zellen einwirken. Die Zelle wird so zu einem Biosensor, der Informationen in der DNA speichern und zu einem späteren Zeitpunkt auslesen kann. Dabei sind auch komplexe Verknüpfungen unterschiedlicher Operatoren beziehungsweise Biosensoren möglich, die nicht nur aufzeichnen, wann und wie hoch ein bestimmter Messwert gestiegen ist, sondern wie er sich über den zeitlichen Verlauf verändert hat.
Die für sogenannte präzise DNA-Schreiber eingesetzten Techniken basieren entweder auf Seiten-spezifischen Rekombinasen, Rekombinations-Techniken (Recombineering) oder Basen-Editing. Ortsspezifische Rekombinasen drehen ein Stück DNA zwischen zwei Erkennungssequenzen um oder schneiden es heraus, wodurch sich ein bestimmtes Ereignis in der Zelle präzise aufzeichnen lässt. Für das Recombineering wird RNA mithilfe einer Reversen Transkriptase in vivo in einzelsträngige DNA exprimiert, die rekombiniert wird. Diese Technik verwendeten Farzadfard und Lu zum Beispiel für den SCRIBE-DNA-Schreiber.
Wesentlich vielseitiger sind jedoch DNA-Schreibtechnologien, die mithilfe von Basen-Editing funktionieren, wie zum Beispiel die von Lu et al. vorgestellte DOMINO-Plattform. Der Lese-Schreib-Kopf besteht hier aus einer cas9-Nickase (nCas9), die mit Cytidin-Deaminase (CDA) sowie dem Uracil-DNA-Glycosylase-Inhibitor (UGI) fusioniert wurde (CDA-nCas9-ugi): Cas9 fungiert als Leseeinheit, die von einer gRNA zur Zielsequenz geführt wird; CDA ist das Schreibmodul, das die DNA editiert; und UGI verbessert die Effizienz des DNA-Schreibens, indem es die Reparatur-Maschinerie der Zelle blockiert.
Sobald die Leseeinheit an der aus zwölf Basenpaaren bestehenden gRNA-Leseadresse (Seed-Sequenz) angedockt hat, legt die CDA los und desaminiert Desoxycytidine (dCs) in der Nachbarschaft des 5‘-Endes der Schreibadresse. Das zelleigene Reparatursystem korrigiert diese zu Thymidinen (dTs), wodurch die dC-zu-dT-Mutationen permanent in der DNA gespeichert werden.
Übertragen auf die Schaltkreis-Architektur eines Computers entsprechen diese Einzel- oder Mehrfachmutationen in der Zielsequenz dem Speicherzustand (memory state) eines Speicher-Chips. Sie führen zu sogenannten unidirektionalen Übergängen zwischen verschiedenen DNA-Speicherzuständen (S0, S1, S2...).
Wann das Speicherereignis erfolgen soll, lässt sich sehr einfach mit einem Anhydrotetracyclin (aTc)-induzierbaren Promotor steuern, den man vor die CDA-nCas9-ugi-Expressionskassette platziert. Im Computer wäre dies das Ausführungs-Signal, das den gesamten Schaltkreis steuert. Regelt man auch die Expression der einzelnen gRNAs durch beta-D-1-Thiogalactopyranosid-(IPTG)-induzierbare Promotoren, gewinnt man zusätzliche, unabhängig kontrollierbare Input-Signale.
Im DOMINO-Operator verknüpfte Lus Gruppe diese Elemente zu einer DNA-basierten Schaltkreis-Architektur, mit der man in lebenden Zellen logische Verknüpfungen und Speicher-Operationen durchführen kann – wie in einem Computer-Chip.
Zunächst setzten Lus Mitarbeiter den DOMINO-Operator ein, um transiente Transkriptions-Signale in DNA zu speichern. Dazu schleusten sie ihn in E. coli ein und versetzten diese mit aTc (Ausführungs-Signal) sowie unterschiedlichen IPTG-Konzentrationen (Input-Signal). Wie viele Mutationen im Verlauf von 24 Stunden entstanden, überwachte die Gruppe, indem sie die DNA sequenzierte. Tatsächlich erhöhte sich die Häufigkeit der Mutationen (Speicherstatus S1) mit zunehmender IPTG-Konzentration – der DOMINO-Operator verhielt sich also wie ein analoges Aufzeichnungsgerät.
Tauschte das Team die IPTG-induzierbaren Promotoren der gRNAs durch andere induzierbare Promotoren aus, speicherte das System Transkriptions-Signale, die zum Beispiel von Zucker (Arabinose), Schwermetallen (Cu2+), Lichtintensität, aber auch Biomarkern wie Wasserstoffperoxid oder Stickstoffmonoxid ausgelöst wurden.
Lu und Co trieben das Spiel mit der aTc-induzierbaren CDA-nCas9-ugi-Expressionskassette und den IPTG-induzierbaren gRNAs aber munter weiter. So kombinierten sie zum Beispiel zwei oder mehrere DOMINO-Operatoren zu logischen Schaltungen beziehungsweise Logik-Gattern (logic gates), etwa einem UND-Gatter, die ähnlich aufgebaut sind wie logische Gates in digitalen Schaltkreisen von Computer-Chips.
Mit der hierdurch möglichen DNA-Speicherarchitektur könnte man, so Lus Vision, nicht nur zelluläre Ereignisse aufzeichnen, sondern auch die zeitlichen Abläufe und Fortschritte in den Entwicklungsstadien von Organismen steuern. Darüber hinaus wäre es denkbar, DOMINO-Operatoren einzusetzen, um zum Beispiel Nervenaktivitäten aufzuzeichnen, Signalwege zu analysieren oder die Entwicklung von Tumoren zu untersuchen.
Was sich hiervon tatsächlich umsetzen lässt, wird man sehen – aber ein spannendes Forschungsfeld sind DNA-Schreiber wie der DOMINO-Operator allemal.