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20. August 2017, 07:03 Uhr

Computer und DNA

Die Erbgut-Hacker

Eine Kolumne von

Diese Woche wurde eine auf den ersten Blick aberwitzige Studie präsentiert: Forscher hackten einen Computer mithilfe von künstlichem Erbgut. DNA wird zu Software - was passiert, wenn man das umgekehrt macht?

"Wenn Materie nicht rechnen könnte, gäbe es kein Leben. Bakterien, Pflanzen, Sie und ich sind allesamt, technisch gesehen, Computer." Cesar Hidalgo, "Why Information Grows"

George Church schätzt, dass man in einem einzelnen Bakterium ungefähr vier Megabyte zusätzliche Daten unterbringen kann. Das entspräche in etwa einem Digitalfoto oder einem MP3-Song.

Church ist nicht irgendein Spinner, sondern einer der berühmtesten lebenden Molekularbiologen, er wird als Anwärter auf den Nobelpreis gehandelt. Er und sein Kollege Seth Shipman haben das Prinzip vor einigen Wochen am lebenden Objekt vorgeführt: Sie versteckten einen der ersten Filme der Menschheitsgeschichte, Aufnahmen eines galoppierenden Pferdes, im Erbgut einer Population von E.-Coli-Bakterien.

Es ging nicht darum, zu demonstrieren, dass man Daten in DNA statt auf Festplatten oder Magnetbändern speichern kann, sondern um eine Forschungsmethode: Church und Shipman wollen mit der Technik irgendwann einmal aufzeichnen, was im Inneren einer Zelle geschieht, während sie sich entwickelt. Ein Organismus, der sein eigenes Werden protokolliert.

Menschenrechte und ein Insiderwitz zum Thema Kettenreaktion

Es gibt aber durchaus Forscher, die das Speicherpotenzial von DNA auch an sich interessant finden, denn diese ist sehr robust. Im März erschien beispielsweise die Studie eines Teams von Forschern, die für Microsoft oder die University of Washington arbeiten. Sie berichteten, dass es ihnen gelungen sei, in einem Bündel künstlicher DNA insgesamt 200 Megabyte Daten abzuspeichern, darunter die Allgemeine Erklärung der Menschenrechte in mehr als hundert Sprachen, eine gewaltige Datenbank über Nutzpflanzensaatgut - und das Musikvideo zu "This Too Shall Pass" von OK Go.

Das Video ist eine Art Insiderwitz für Molekularbiologen, weil es eine lange, sehr komplizierte Kettenreaktion zeigt, eine sogenannte Rube-Goldberg-Maschine. Das ist ein Verweis auf die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion, das Werkzeug, ohne das es die aktuell rasante Entwicklung der Molekularbiologie nicht gäbe.

Am Donnerstag dieser Woche schließlich demonstrierte ein weiteres Team von der University of Washington, diesmal angeführt von einem Informatiker, dass das Ganze auch in der anderen Richtung funktioniert: Die Truppe um Tadayoshi Kohno benutzte in einem DNA-Strang versteckten Code, um den Computer zu hacken, der zur Analyse des Erbguts eingesetzt wurde. Die Forscher wendeten dazu alle möglichen Tricks an, unter anderem versahen sie ein gängiges Stück Open-Source-Software zur Sequenzierung von Erbgut mit einer Sicherheitslücke, die sie anschließend mithilfe der manipulierten DNA ausnutzten. Aus vermeintlichen Gensequenzen wurde im Rechner ein Trojaner. Eine in der Praxis derzeit kaum gangbare Methode, wie die Forscher zugeben. Aber eine eindrucksvolle Demonstration.

DNA = Daten, Daten = DNA

Interessant ist an dem DNA-Hack - neben dem Sci-Fi-Thriller-Moment und dem Irrwitz der Idee - vor allem eins: Sie zeigt deutlicher als je zuvor, dass die Grenzen zwischen dem, was wir bislang als digitale Information kannten und dem, was schon sehr lange Erbinformation genannt wird, fließend werden. DNA ist nichts anderes als Daten. Und Daten können statt in Form von Nullen und Einsen ebensogut in Form von DNA vorliegen - das nötige Werkzeug vorausgesetzt.

Die gigantischen Fortschritte in diesem Bereich - der Preis für die Sequenzierung eines einzigen Genoms ist zwischen 2000 und 2015 von hundert Millionen Dollar auf tausend Dollar gefallen - treten jetzt in Wechselwirkung mit den gigantischen Fortschritten im Bereich lernender Software. Was beispielsweise künstliche neuronale Netze viel besser als Menschen können, ist Muster in gewaltigen Datenmengen zu erkennen. Und weil Genome eben auch nur Datenberge sind, wird das Wissen der Menschheit um den Zusammenhang zwischen Genen und konkreten Ausprägungen bestimmter Charakteristika in den kommenden Jahren und Jahrzehnten explosionsartig anwachsen.

Wo Science-Fiction-Autoren (womöglich) irrten

Dieses Wissen wird nützlich sein, um die genetischen Komponenten von Krankheiten wie Krebs oder Alzheimer zu verstehen und Therapien zu entwickeln. Mit jedem Erkenntnisgewinn aber wird auch die Versuchung wachsen, all die Daten nicht nur zu lesen, sondern sich auch mal am Schreiben zu versuchen.

Vor allem in Europa gelten restriktive Regelungen, was das Experimentieren mit Erbgut angeht. Anderswo aber hat man weniger Skrupel. In China werden gewaltige Summen in Sequenzierungstechnologie investiert - und auch in sehr zielorientierte Forschung. Seit 2012 analysiert dort beispielsweise ein Unternehmen die DNA von besonders intelligenten Menschen - es ist nicht das einzige derartige Projekt.

Einer der an dem chinesischen Projekt beteiligten Wissenschaftler schrieb schon 2015 in einem populärwissenschaftlichen Beitrag, kognitive Fähigkeiten würden "von Tausenden von genetischen Loci beeinflusst, jeder mit einem kleinen Effekt". Wenn aber alle gleichzeitig verbessert werden könnten, könne es möglich sein, "eine Verbesserung von etwa hundert Standardabweichungen zu erreichen, was einem IQ von über 1000 entspräche".

In der Science Fiction der vergangenen Jahrzehnte machen Computer menschliche Gehirne oft auf sehr direktem Weg besser: Chips mit Fremdsprachen- oder Kampfsportkenntnissen, die in irgendwelche Schächte hinter dem Ohr gesteckt werden. Im Moment erscheint ein anderer Weg weit wahrscheinlicher als solche Hardware-Interfaces - wenn auch nicht minder beunruhigend. DNA ist Code, und Code kann zu DNA werden.

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