DNA - biologischer Speicher

Ausgangspunkt ist der schon immer vorhandene Wunsch der Menschheit das momentane Wissen zu speichern und für die Nachwelt zu erhalten.

Als Basis wird eine allgemeine Sprache zur Beschreibung des Sachverhaltes und daraus folgend ein entsprechendes Symbol gebraucht.
Weiterhin ist ein lange haltbares Material notwendig, auf dem die Symbole dargestellt werden. Das so bearbeitete Material muss gelagert werden können.

Sand als Material ist zwar leicht bearbeitbar aber eben nicht haltbar.

    Die Ägypter (als Beispiel) haben etwa 3200 v. Chr die Heroglyphen erfunden - es sind symbolisierte Zeichnungen von Gegenständen, Ereignissen usw.
Diese Symbole wurden in Stein gemeißelt, sind daher auch nach 5000 Jahren noch lesbar.
Zur Vervielfältigung oder zum Verschicken der Schrift als Nachricht war das Verfahren nicht geeignet.

Über Pergament und Papyrus kam man zur Schreibbasis Papier und einzelnen Schriftzeichen, den Buchstaben, die zusammengesetzt den Begriff beschreiben.

        Papier ist ein guter Speicher, hält bei entsprechender Lagerung 100-e von Jahren, hat aber einem Feuer nichts entgegen zu setzen. So ist am 2. September 2004 ein Großbrand in der Weimarer "Herzogin Anna Amalia Bibliothek" ausgebrochen und hat mehr als 50.000 unschätzbar wertvolle Bücher verbrannten, 118.000 wurden zum Teil schwer beschädigt.

Die Digitalisierung hat eine neue Basis der Speicherung von Daten erschaffen.

Das ging über große Magnetplatten, Disketten, HD's, Tonbänder, Tonkassetten, DVD's, SMD- und USB-Speicher. Man kann von Anfänglich KBytes in der Zwischenzeit TBytes speichern - das ist eine nahezu unvorstelbar große Menge an Daten -
aber es gibt ein neues Problem -
die Entwicklung der Technologie und der technischen Basis ist so schnell, dass es für die älteren Speichermedien keine Lesegeräte mehr gibt - wer hat schon noch einen Kassettenrekorder? Damit kann man die Daten auch nicht mehr nutzen, sie sind quasi weg!

Speicherung der Daten auf Mikrofilm
nach:
https://www.planet-wissen.de/technik/computer_und_roboter/das_internet/archivierung-barbarastollen-kulturelles-erbe-100.html
"
Archive in Deutschland schwören auf Mikrofilm – ein analoges Speichermedium, entwickelt zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Das Material ist aufgrund seiner Eigenschaften (noch) unersetzbar: Es ist robust, langlebig (500 Jahre), nicht hack- und fälschbar und man braucht kein Abspielgerät, sondern nur Licht. Die Filme werden in großen Spulen in Edelstahlfässer gelegt und luftdicht verschlossen. Die Fässer lagert das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe seit 1975 in einem ehemaligen Bergwerksstollen ein, dem Barbarastollen in Oberried nahe Freiburg. Gut abgeschottet, tief im Berg, mit idealen Klimabedingungen.
"

Man braucht um die Daten zu lesen keine speziellen Lesegeräte: eine Lampe und eine Lupe sollte in jedem Fall ausreichen!

Aber auch diese Technologie kann einer Naturkatastrophe, wie Erdbeben, Feuer usw. nicht widerstehen.

Im Jahr 1977 gab es eine weitere Aktion um Daten der Menschheit dauerhaft und sogar lesbar für "Außerirdische" zu speichern.

    In dem Jahr wurden 2 Voyager-Sonden (1 und 2) gestartet. Die Voyager-Sonden hatten keinen besonderen Forschungsschwerpunkt. Da es zu diesem Zeitpunkt erst wenige Erkenntnisse über die äußeren Planeten gab, sollte dieses Wissen ausgebaut werden. Daher waren die ursprünglichen Missionsziele relativ weit gefasst, es ging um Jupiter und Saturn.
Die Sonden haben einen Durchmesser von etwa 1,80m, eine Parabolantenne von etwa 3,60m und jeweils 3 Radionuklidbatterien (liefern Strom für die elektronischen Geräte. Die Lage-Regulierung erfolgt durch Hydrazin-Treibstoff.
Im Gegensatz zur ursprüglichen Planung stellte man fest, dass am Saturn beide Sonden noch ausreichend Energie hatten, um die Mission zu erweitern. Voyager 2 wurde zu Uranus und Neptun gelenkt, Vojager 1 nach Saturn (noch eine Kursänderung) danach flogen beide zum interstellaren Raum.
Daten zu Voyager 1:
  • Am 19. Februar 2023 ist Voyager 1 ca. 159,01 AE von der Sonne entfernt, das sind etwa 23,79 Milliarden Kilometer.
  • Geschwindigkeit relativ zur Sonne: ca. 17 km/s bzw. 3,6 AE/Jahr
  • Zurückgelegte Strecke: 28.830.000.000 km = 179,95 AE (Stand: 9. August 2018)
  • Verbleibender Treibstoff: 17,38 kg (Stand: 16. Januar 2015)

Eine AE(Astronomische Einheit) misst etwa 149,6 Millionen Kilometern und entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne.

Die Mission der Voyager 1 gilt, wie auch die von Voyager 2, als einer der größten Erfolge der NASA und der Raumfahrt allgemein. Die Sonde sendet noch heute regelmäßig Daten zur Erde. Außerdem ist sie das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen gebaute Objekt und wird diesen Status auf absehbare Zeit auch behalten.
Am 19. Februar 2023 ist Voyager 1 ca. 159,01 Astronomische Einheiten (AE) von der Sonne entfernt, das sind etwa 23,79 Milliarden Kilometer. Jährlich nimmt die Entfernung um rund 3,6 AE (ca. 540 Mio. km) zu, dies entspricht einer (Radial-)Geschwindigkeit von etwa 61.000 km/h. Von der Erde aus betrachtet befindet sich Voyager 1 im Sternbild Schlangenträger.

    Das ist so nichts Neues, aber an den Sonden wurden außen in Form einer Schallplatte (am unteren Teil der Sonde sichtbar) Informationen über die Erde für Außerirdische angebracht, "Voyager Golden Record".
Voyager 1 führt eine Datenplatte aus Kupfer mit sich, die als Schutz vor Korrosion mit Gold überzogen ist, die sogenannte „Voyager Golden Record“. Auf ihr sind Bild- und Audio-Informationen über die Menschheit gespeichert. Auf der Vorderseite befinden sich unter anderem eine Art Gebrauchsanleitung und eine Karte, die die Position der Sonne in Relation zu 14 Pulsaren anzeigt.
Man geht davon aus, dass wenn die Sonde durch Außerirdische gefunden wird, diese mit einer Intelligenz ausgestattet sind, die ein Lesen der Information ermöglichen sollte.

    Nun wird man sich fragen, warum gerade eine Schallplatte?
Es gab zu der Zeit wenige einfach nutzbare Datenträger und außerdem weiß man auch jetzt nicht genau welchen Strahlungen und Feldern so ein Teil im Weltraum ausgesetzt sind. Eine Rille wie auf der Schallplatte ist relativ robust.
Das Problem ist nur, wie kann man Außerirdischen klar machen, was sie mit der Scheibe tun sollen?
Der Anfang der Datenspur enthält 116 analog gespeicherte Bilder. Der Rest besteht aus Audiodaten. Dazu gehören gesprochene Grüße in 55 Sprachen (Grußbotschaften auf der Voyager Golden Record).
Der deutschsprachige Text „Herzliche Grüße an alle“ wurde von der in Cornell lehrenden Germanistin Renate Born eingesprochen. Außerdem sind verschiedene Geräusche wie Wind, Donner und Tiergeräusche (?Geräusche auf der Voyager Golden Record) zu hören. Darauf folgen 90 Minuten ausgewählter Musik.

Die Schutzhülle aus vergoldetem Aluminium enthält geringste Mengen des Isotops Uran-238, das während der Flugdauer der Raumsonden zu Thorium-234 zerfällt. Der Zerfall des Isotops kann den potentiellen Findern zur Altersbestimmung des Speichermediums dienen (z.B. über Massenspektrometrie).

    <==

 

 

 

 

 

 

Die Missionen haben viele neu Erkenntnisse und Bilder von Jupiter und Saturn erbracht.
Und das war dann beim Übergang in den interstellaren Raum der letzte Blick zurück zur Erde -
es ist nur noch ein ganz kleiner Punkt im Weltall!

Zur dauerhaften Speicherung aller Daten der Menschheit ist dieses Verfahren sicher nicht geeignet!


Die Archeologen zeigen jedoch, dass es durchaus Speicherungen gibt, die jahrtausende überstehen - nicht die in Stein gemißelten!
Jeder weiß, dass die z.B. nur ein Stück Knochen gebrauchen, um sehr viele Informationen von dem schon lange toten Tier zu erhalten - was nutzen diese Leute?
Sie untersuchen die DNA organischer Stoffe.
DesoxyriboNucleinSäure oder DNA (englisch für „DeoxyriboNucleic Acid ")

    nach
https://www.simplyscience.ch/teens/wissen/was-ist-dna
"
Die Bausteine der DNA sind die sogenannten Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus einem Phosphatrest, einem Zucker (Desoxyribose) und einer von vier organischen Basen: Adenin(A), Thymin(T), Guanin(G) und Cytosin(C).
Nukleotide können sich aneinanderreihen und lange Ketten bilden. DNA-Moleküle bestehen aus zwei solchen Ketten, die umeinander gewunden sind und eine Doppelhelix bilden. Diese zwei umeinander gewundenen Ketten, DNA-Stränge genannt, werden dadurch zusammengehalten, dass sich Basen vom einen Strang mit den Basen vom anderen Strang, miteinander verbinden. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften paart sich A nur mit T, und C nur mit G, so wie jeweils nur ein Schlüssel in ein bestimmtes Schloss hineinpasst. Man kann sich die DNA wie eine Wendeltreppe vorstellen, in der die Basenpaare die Sprossen bilden.
Die Reihenfolge der Basen entlang der DNA-Stränge (also die DNA-Sequenz) bestimmt die Erbinformation einer Zelle.
"

nach
https://www.ardalpha.de/wissen/speichermedien-der-zukunft-dna-speicher-daten-100.html
"
Gigantische Datenmengen auf DNA
Klingt wie Science Fiction, ist es aber nicht:
Was USB-Stick und Festplatte können, kann unsere DNA schon lange – nämlich Informationen speichern.
Forscher sind der Ansicht, das Speichermedium der Zukunft könnte deshalb aus DNA bestehen.
"

Wie soll das gehen?

Es werden die analogen Daten digitalisiert, in DNA-Basen überführt, dann als Nukleotide gespeichert und in ein brauchbares Medium verpackt.
Die Digitalisierung stellt immer eine Folge von 1 und 0 bereit, das gilt sowohl für Text wie auch für Bilder oder Filme.

z.B. die Darstellung eines schwarzen Rechtecks:

Rechteck:

 

    Hexadezimale Kodierung:
    Folgende Umrechnung gilt:
0 - 0000
1 - 0001
2 - 0010
3 - 0011
4 - 0100
5 - 0101
6 - 0110
7 - 0111
8 - 1000
9 - 1001
A - 1010
B - 1011
C - 1100
D - 1101
E - 1110
F - 1111
    Daraus folgt dann die Darstellung mit 1 und 0:
(z.B. 1. Zeile bis Daten 4A)
FF D8 FF E0 00 10 4A ...
1111 1111 1101 1000 1111 1111 1110 0000 0000 0000 0001 0000 0100 1010 ...

Gut passt, dass die Nukleotide genau 4 Basen sind. das bedeutet, dass man mit 2 Bit, denn 22 = 4 diese beschreiben kann, man ordnet wie folgt zu:
00 - A
01 - C
10 - G
11 - T

daraus folgt dann für eben dargestelltes Bild:

Bild: Darstellung mit 1 und 0:
(z.B. 1. Zeile bis Daten 4A)
FF D8 FF E0 00 10 4A ...
1111 1111 1101 1000 1111 1111 1110 0000 0000 0000 0001 0000 0100 1010 ...
    Bit zu DNA:
00 - A
01 - C
10 - G
11 - T
    DNA:

TTTTTCGATTTTTGAAAAAAACAACAGG...

Das ist ein Stück DNA des Bildes (der Strang ist natürlich noch sehr viel länger)

In gleicher Weise kann natürlich auch Text gespeichert werden:

--- Text ---------------------------
Das ist ein Beispiel für einen Text
26.1.23
   
    Das ist ein Beispiel
44 61 73 20 69 73 74 20 65 69 6E 20 42 65 69 73 70 69 65 6C

44 61 73 20 69 73 74 ...
0100 0100 0110 0001 0111 0011 0010 0000 0110 1001 0111 0011 0111 0100 ...
    CACACGACCTATACAACGGCCTATCTCA...

Es fehlt der zweite DNA-Strang, der entsprechend der Möglichkeiten, dass nur folgende Kombinationen möglich sind:
A <===> T
C <===> G

kann man einen zweiten Strang erstellen:
1.Strang: CACACGACCTATACAACGGCCTATCTCA...
2.Strang: GTGTGCTGGATATGTTGCCGGATAGAGT...
Man könnte den 2.Strang als inversen Strang vom ersten bezeichnen: DNA-1.

    Die menschlichen Erbeigenschaften werden ebenfalls so gespeichert.
Da es ja zwischen den Basen nur genau jeweils eine Beziehung gibt, könnte man die "inverse" DNA quasi als Sicherheitssystem sehen, denn eine einseitige Änderung einer Base in einem Strang ist nicht möglich. Ob sich gleichzeitig auch beide ändern können, ist mir nicht bekannt.

    Teilt sich eine menschliche Zelle, muss zuvor die DNA verdoppelt werden, damit für jede neue Zelle eine DNA zur Verfügung steht.
Ich würde den Vorgang in mehrere Phasen einteilen:
  1. Teilung der DNA in zwei Teile
    Das ist möglich, da ja der DNA- und inverse DNA-Strang vorhanden ist.
    Die Bindung an den Basen, eine chemische Bindung, muss aufgehoben werden. Ob das Schritt für Schritt oder alle auf einmal erfolgt, ist mir unbekannt.
    Das Ergebnis ist jeweils ein Strang, eine unvollständige "DNA".
  2. Partnerbase finden und anfügen
    Das Finden der Partnerbase geht nur entsprechend den oben genannten Bezihungen und das sowohl für die DNA und die inversen DNA.
    Vermutlich gibt es einen Zeitraum, in dem die Stränge allein (ohne Partnerbase) existieren, hier fehlt nun die zuvor genannte Sicherheit und vermutlich ist in diesem Zeitraum eine Mutation einer Base möglich, sie könnte sich ändern aber vielleicht auch ganz fehlen.
  3. Zwei neue stabile "DNA"
    Nachdem die entsprechenden Partner der Basen entstanden sind, existieren nun zwei stabile "DNA-s".
    Es könnte nun aber auch sein, dass auf Grund der unter 2. genannten Mutation, zwei unterschiedliche DNA existieren (oder auch beide), was einem Gen-Fehler entspricht. Leider wird nun auch die fehlerhafte DNA weiter zur Teilung genutzt.

Bei der Speicherung von Daten, wird es keine Teilung geben, somit sollte das Problem von derartigen Fehlern entfallen. Sollten Daten wider momentaner Festlegung in menschliche Zellen gespeichert werden, kann das eben auch mit den Daten passieren.
Weiterführende Informationen erhält man z.B. unter: simpleclub; DNA REPLIKATION; https://simpleclub.com/lessons/biologie-dnareplikation

Ein weiteres Beispiel:
Die vom KI-System bereitgestellte FKT zur Wandlung von ASCII-Zeichen in Bitfolgen wurde benutzt um beliebigen Text in DNA-Stränge umzuwandeln:

text_ein.php
Nach eingabe einer Zeichenfolge und der Betätigung der ok-Taste kommt man in ein Programm zur Darstellung der möpglichen DNA.
(zurück mit der <- Taste).

Prinzip des DNA-Computers

    Die Organisation und Komplexität aller Lebewesen basiert auf einer Codierung mit vier verschiedenen Basen im DNA-Molekül. Dadurch stellt die DNA ein Medium dar, das für die Datenverarbeitung perfekt geeignet ist.
Nach verschiedenen Berechnungen würde ein DNA-Computer mit einer Flüssigkeitsmenge von einem Liter und darin enthaltenen sechs Gramm DNA eine theoretische Speicherkapazität von 3072 Exabyte ergeben.
Auch die theoretisch erreichbare Geschwindigkeit wegen der massiven Parallelität der Berechnungen wäre enorm. Pro Sekunde ergeben sich etwa Tausend Peta-Operationen, während die leistungsfähigsten Computer heute einige zehn Peta-Operationen pro Sekunde erreichen.

Exabyte: 1018 Byte, eine Milliarde Gigabyte, eine Million Terabyte
Petabyte: 1015 Byte

DNA wird Nukleotid für Nukleotid zusammengesetzt

    (Prof. Reinhard Heckel forscht an der Übersetzung von Daten in DNA;
Reagenzfläschen mit DNA-Material)
Liegt nun so das neue Rezept für die Daten-DNA vor, geht das Ganze ans Labor. Dort werden die Stränge nun gemäß Vorgabe aus G, T, C und A vollautomatisiert zusammengesetzt.
DNA-Stränge werden unter anderem durch verschiedene Technologien, wie zum Beispiel DNA-Print-Verfahren, Nukleotid für Nukleotid auf einem Array aufgebaut. Das ist relativ schwierig umzusetzen und daher im Moment noch sehr teuer.

        Die Fläschchen mit den Nukleotiden Adenin(A), Thymin(T), Guanin(G) und Cytosin(C). werden in so einen "Art" Drucker eingesetzt (wie so Tintenpatronen im Papierdrucker) und beim "Drucken" zur bisherigen Mischmenge hinzugefügt. Was nicht immer klappt ist, dass sich die Stränge auch in der gewünschten Reihenfolge bilden.

Der nächste Schritt ist die Verkapselung der DNA. Sehr häufig wird Glas verwendet, das ist sehr haltbar, kann aber auch beliebig anderes Material sein.

    So sind dann solche Bilder zu verstehen, die DNA ist überall im Material, man kann ein beliebiges Stück entfernen (klauen), es wird immer erkannt, wo das Material herkommt, klauen ist sinnlos!
Der Schrotthändler muss natürlich über Möglichkeiten verfügen aus der DNA wieder einen lesbaren Text zu erstellen - ist zur Zeit sicher schwierig, die Forschung wird Wege finden!

    Man könnte auch so erstellte künstliche DNA in der menschlichen Zelle unterbringen, z.B. persönliche Daten, wie Name, Geburtsdatum, die ganze Krankenkassenkarte usw., dann hätte der Mensch seine Daten immer parat, wäre sicher bei Unfällen sehr hilfreich.
Von der Ethikkommission Deutschlands gibt es jedoch ein Nein für Manipulation, das Einbringen einer künstlichen DNA in die menschliche Zelle wird so gewertet, von menschlicher, natürlicher DNA. Es ist sehr schwer auszuschließen, dass durch solche Eingriffe das Erbgut des Menschen bewußt verändert wird.

 

Alle Daten der Welt in einem Kaffeebecher? – Das ginge, mit künstlicher DNA als Speicher

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