Ein Buch aus DNA

[Liopleurodon]

Billig schon, irgendwann. Vor 10 Jahren kostete das Sequenzieren von 3 Gigabasenpaare DNA noch Milliarden. Heute einige tausend Dollar. Auch das ist noch viel zu viel. Aber in zwanzig Jahren sind es vielleicht nur noch Cent-Beträge.
Schnell genug für Alltagsgeräte wird das nie. Für schnelle Gebrauchsspeicher taugt es nichts, da das Datenauslesen ja chemisch erfolgt. Dem sind Grenzen gesetzt.
Es ist nur was fürs Archiv.

"Billig" ist auch hier relativ zu sehen. Kostet doch eine einzige Platte für 454-Sequenzierungen schon 10.000 €, hinzu kommt noch der enorme Verarbeitungsaufwand zur korrekten Assemblierung der Daten. Nicht eingerechnet sind hier auch die Kosten zur Herstellung des DNA-Buches, die auch nicht von schlechten Eltern sein dürften.

Hier ist übrigens noch mal ein detaillierterer Link zu dem Thema:

Writing the Book in DNA : Wyss Institute at Harvard

[Amaranth]

Bei eukaryotischen Lebewesen ist das anders.
Nichtkodierende Desoxyribonukleinsäure ? Wikipedia


Da ist genug Platz. Da könnte man ganze Bibliotheken an seine Nachkommen vererben.

Du beachtest aber nicht, dass auch die "leeren" Stellen der DNS Funktionen hat. Diverse Anweisungen für die an der DNS operierenden Enzyme usw. sind hier gespeichert, die man für die eigentliche Protein-Biosynthese nicht benötigt und deshalb wegschneidet, die aber dennoch mitkopiert werden, wenn die Zellteilung erfolgt.

Und wie Dannyboy es schon mehrfach erwähnte:
In lebenden Organismen (vor allem Bakterien, die sich teilweise alle 20 Minuten teilen!) wird die Information zu schnell verfälscht. Zum einen durch äußere Faktoren (Radioaktivität, chemische Belastung, usw.), zum anderen durch innere (Mutation).
Man könnte wahrscheinlich einen Großteil der Daten wiederherstellen, aber ein Teil würde schon bald unwiederbringlich verloren sein. "Tote" DNS-Stränge hingegen können so verwahrt werden, dass diese quasi unempfindlich sind (im aufgerollten Zustand um Histone und den ganzen Quark sind sie es ja schon heute)

Zur Not kann man auch einen Rosetta-Stein hinterlassen. Und die heute üblichen Sprachen (Englisch, Chinesisch, ...) wird man wohl selbst in 5000 Jahren noch identifizieren können, sofern wir keine Apokalypse erleben. Dann wäre aber die Technik wohl erstmal wieder derartig rückständig, dass wir andere Probleme hätten, als DNS-Bücher.
Der Sinn wäre wohl vor allem in sehr langfristig angelegten externen Missionen, also quasi im Weltraum oder in Kolonien, sodass man den kompletten Wissensstand der Erde "backuppen" kann. Die bekannten digitalen Speichermedien sind hierfür nicht geeignet, sowohl was ihre Datendichte angeht, als auch (vor allem) ihre Haltbarkeit.

Nachtrag:
Zur Lesegeschwindigkeit könnte man auch noch dazu sagen, dass Bakterien eine Methode verwenden, bei denen ihre DNS-Stränge anders als bei Eukaryoten an mehreren Stellen aufgebrochen werden und somit schneller transkribiert werden kann. Ich habe zwar keine Ahnung von den derzeitigen "DNA-Readern", aber je nachdem, wie intensiv man das macht, kann man die Lesegeschwindigkeit möglicherweise noch etwas modifizieren.
Zudem muss man ja nicht alles auf einmal lesen. In der DNS-Sprache gibt es einige Kombinationen von Aminosäuren, die "Stopp" bedeuten und die (wie man sich wohl denken kann) eine sehr wichtige Rolle Spielen. Eine derartige Kombination am Ende eines jeden Werkes und schon kann man relativ schnell sortieren.

[irony]

Hast du dich in dem Teil hier vertippt? *s* TB steht doch für Terabyte und das wären dann etwas mehr als 500.000 Bytes, oder? ^.^

TB habe ich als Taschenbuch gelesen, weil es um Bücher ging. Wenn Terabyte gemeint war, dann sieht es natürlich anders aus. Dann dauert das länger als ein Jahr.

[Suthriel]

Wenn ein Gensequenzer 400 Megabasenpaare pro Tag schafft, und ein TB etwa 500.000 Byte hat, sieben bis acht Minuten.

Hast du dich in dem Teil hier vertippt? *s* TB steht doch für Terabyte und das wären dann etwas mehr als 500.000 Bytes, oder? ^.^
Ein TB käme auf 1.099.511.627.776 Bytes bzw., wenn ein Basenpaar ein Bit sein soll, 8.796.093.022.208 Bits.
Ändert sich da was nennenswert an der Lesezeit? *neugierig schauz*

[Dannyboy]

Ein paar Fragen.

Warum kann man mit herkömmlicher oder zukünftiger nicht-organischer Technik keine solchen Speicherdichten erhalten?

Über zukünftige Techniken kann ich nichts sagen. Es gibt ein paar quantenphysikalische Techniken, die nahe dran kommen, aber auch sehr empfindlich sind.
Aber man kann zum Beispiel die Magnetdomänen einer Festplatte nicht beliebig verringern.
Immerhin bräuchte man Bits in Molekülgröße die dann auch ablesbar sein müssen. In einer Halbleiterelektronik musst du auf diesen Skalen mit quantenphysikalischen Effekten die Tunnelungen rechnen.

Wäre das ein Speichermedium für die Zukunft, auch für Wald-und-Wiesen-Geräte (Smartphones, PCs, Fernseher, usw.)? Werden die Lesegeräte irgendwann billig genug sein?

Billig schon, irgendwann. Vor 10 Jahren kostete das Sequenzieren von 3 Gigabasenpaare DNA noch Milliarden. Heute einige tausend Dollar. Auch das ist noch viel zu viel. Aber in zwanzig Jahren sind es vielleicht nur noch Cent-Beträge.
Schnell genug für Alltagsgeräte wird das nie. Für schnelle Gebrauchsspeicher taugt es nichts, da das Datenauslesen ja chemisch erfolgt. Dem sind Grenzen gesetzt.
Es ist nur was fürs Archiv.

[Uriel Ventris]

Bücher über DNA gibt es ja schon einige.
Aber George Church hat sein Buch "Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves" nun direkt in DNA-Form kodiert.
Ich weiß ja nicht, ob das Buch so schon im Handel ist (Nein, ich glaube nicht), aber mit einer Auflage von 70 Milliarden Exemplaren dürfte es so schnell nicht ausverkauft sein (Und dürfte damit wohl die Bibel als meistgedrucktes Buch der Welt ablösen).
Da die verwendete Speichertechnologie immerhin 5500 Terabits pro Kubikmilimeter an Daten erfassen kann, ist die Gesamtauflage auch nicht besonders Voluminös.
Nachteil ist natürlich, das die Lesegeräte für die Bücher noch etwas teuer sind. So ein DNA-Sequenziergerät kostet ja mal locker ab 10.000 Euro aufwärts.
Und die Lesegeschwindigkeit ist auch nicht so toll.


Das ganze wäre also mehr was für das Archiv. Immerhin könnten 4 g davon schon alle digitalen Daten der Welt speichern.
Da die DNA in kleinen Datenblöcken a 96 Bit geteilt ist, ist sie ziemlich stabil.
Mit ein paar Back-up-Kopien könnte man so Daten über hunderttausende Jahre speichern.

Ein paar Fragen.

Warum kann man mit herkömmlicher oder zukünftiger nicht-organischer Technik keine solchen Speicherdichten erhalten?

Wäre das ein Speichermedium für die Zukunft, auch für Wald-und-Wiesen-Geräte (Smartphones, PCs, Fernseher, usw.)? Werden die Lesegeräte irgendwann billig genug sein?

[Dannyboy]

ok, also wenn ich das richtig verstehe, wird zum Lesen der Informationen zuerst eine Kopie angefertigt und diese dann gelesen?
Das Problem dabei waere der Kopiervorgang, welcher "Fehler" in der Informationskette erzeugen kann, was aber bei einer kleinen Anzahl von Kopien nicht gravierend waere?

Man erzeugt viele Kopien. Da Fehler dann zufällig und an unterschiedlicher Stelle auftreten, können sie gefunden werden.
Ein paar Bits gehen natürlich trotzdem mal flöten, aber damit kann die Informatik ja umgehen.

[Normandy]

ok, also wenn ich das richtig verstehe, wird zum Lesen der Informationen zuerst eine Kopie angefertigt und diese dann gelesen?
Das Problem dabei waere der Kopiervorgang, welcher "Fehler" in der Informationskette erzeugen kann, was aber bei einer kleinen Anzahl von Kopien nicht gravierend waere?
Und deswegen kann man auch nicht beliebig viele Kopien von einer Kopie von einer Kopie erzeugen?

Richtig verstanden?

Klingt wie der feuchte Traum der Content-Industrie.

Das wäre eigentlich kein Problem. Die Fehler treten schließlich nicht immer an der Selben stelle auf. Man nüsste eigentlich nur mehrere Kopien vergleichen um auf das Orginal schließen zu können. So hat man auch schon das Erbgut ausgestorbener Spezies untersucht, wenn sich aus meherern Funden DNA hat extrahieren lassen.

Außer ich habe dich jetzt falsch verstanden

[xanrof]

Du analysierst ja die Kopie, nicht den Strang auf dem Chip.
(...)
Allerdings wird der Kopiervorgang der begrenzende Faktor sein. Daher wird diese Technik kaum Einsatz für Alltagsmedien erhalten.

ok, also wenn ich das richtig verstehe, wird zum Lesen der Informationen zuerst eine Kopie angefertigt und diese dann gelesen?
Das Problem dabei waere der Kopiervorgang, welcher "Fehler" in der Informationskette erzeugen kann, was aber bei einer kleinen Anzahl von Kopien nicht gravierend waere?
Und deswegen kann man auch nicht beliebig viele Kopien von einer Kopie von einer Kopie erzeugen?

Richtig verstanden?

Klingt wie der feuchte Traum der Content-Industrie.

[Dannyboy]

Das hängt ganz von der Codierung ab. Fehlerkorrekturverfahren sind auch heute schon Standard bei der elektronischen Speicherung und Übertragung von Daten. Es spricht prinzipiell nichts dagegen, angemessene Verfahren auch bei einer biologischen Codierung vorzunehmen, oder?

Klar. Aber auch das hat seine Grenzen. Und ich sehe den Vorteil nicht.
Hier ging es gerade darum, ob man die DNA in Lebewesen speichern sollte, oder auf DNA-Chips.
Und da spricht für die CHips der Umstand, das sie tausendfach mehr Daten fassen können, die viel einfach ablesbar sind.

Gibt es davon abgesehen überhaupt (schon) einen sinnvollen Anwendungszweck?

Du meinst, außer Bücher in milliardenfacher Auflage?
Ne, das ist mehr Grundlagenforschung.
Aber die Möglichkeit, den gesamten digitalen Datenbestand der Erde theoretisch auf ein Medium im Miniformat zu speichern, das tausende Jahre halten kann, ist doch cool.

Und da in diesem Technologiebereich die Kosten jährlich um den Faktor 5 bis 12 sinken, wird das auch absehbar sehr sehr günstig.
Noch nicht, aber bald.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Dannyboy schrieb nach 3 Minuten und 8 Sekunden:

Und nebenbei wird doch auch das Medium (also der DNA-Strang) beim »Lesen« zerstört? Ich sehe eben den Anwendungsfall nicht so wirklich.

Du analysierst ja die Kopie, nicht den Strang auf dem Chip.
Jeder Strang ist 159 Nukleotide lang. 96 nt als Information, den Rest als Addresse und für den Kopievorgang. Die dazu nötigen Instrumente findet man in der Natur.


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EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Dannyboy schrieb nach 1 Minute und 7 Sekunden:

Wenn ein Gensequenzer 400 Megabasenpaare pro Tag schafft, und ein TB etwa 500.000 Byte hat, sieben bis acht Minuten.

Die besten Prototypen schaffen zur Zeit schon mehr als das zehnfache.

Allerdings wird der Kopiervorgang der begrenzende Faktor sein. Daher wird diese Technik kaum Einsatz für Alltagsmedien erhalten.

[irony]

OK. Und wie lange würde es dauern, sagen wir mal effektiv ein TB an Daten mittels Gensequenzer zu »lesen«?

Wenn ein Gensequenzer 400 Megabasenpaare pro Tag schafft, und ein TB etwa 500.000 Byte hat, sieben bis acht Minuten.

[Trivialistiker]

Die Archivierung großer Datenmengen auf kleinem Raum.

OK. Und wie lange würde es dauern, sagen wir mal effektiv ein TB an Daten mittels Gensequenzer zu »lesen«? Wird man in Zukunft so eine akzeptable Lesegeschwindigkeit erreichen können? Und nebenbei wird doch auch das Medium (also der DNA-Strang) beim »Lesen« zerstört? Ich sehe eben den Anwendungsfall nicht so wirklich.

[irony]

Gibt es davon abgesehen überhaupt (schon) einen sinnvollen Anwendungszweck?

Die Archivierung großer Datenmengen auf kleinem Raum.

[Trivialistiker]

Besser nicht, Mutationen würden die Daten dort eher verändern.

Das hängt ganz von der Codierung ab. Fehlerkorrekturverfahren sind auch heute schon Standard bei der elektronischen Speicherung und Übertragung von Daten. Es spricht prinzipiell nichts dagegen, angemessene Verfahren auch bei einer biologischen Codierung vorzunehmen, oder? Gibt es davon abgesehen überhaupt (schon) einen sinnvollen Anwendungszweck?

[irony]

Meinst du, auch groessere Mengen an Text in einem Bild unterzubringen?

Nein, ich meine einfach nur Bilder, die etwas zeigen. Z.B. wenn man einen Film wie "Titanic" Bild für Bild anschaut, versteht man eine ganze Menge, auch ohne Sprache. Das Drehbuch als Text, da ist nichts mehr zu verstehen, wenn man die Sprache nicht kennt. Texte nützen nichts, wenn Sprachen verloren gehen.