Por­trät Robert Grass: Künst­li­che DNA als Datenspeicher

17.08.2021 | Politik

Für sein Ver­fah­ren, wie Daten in künst­li­cher DNA gespei­chert, in win­zi­gen Glas­kü­gel­chen ver­sie­gelt und noch nach Jahr­tau­sen­den feh­ler­frei aus­ge­le­sen wer­den kön­nen, wurde der gebür­tige Bre­gen­zer Robert Grass gemein­sam mit sei­nem Kol­le­gen Wen­de­lin Stark kürz­lich mit dem Euro­päi­schen Erfin­der­preis 2021 ausgezeichnet.
Ursula Scholz

Fei­nes wei­ßes Pul­ver – das kann von Staub­zu­cker bis Kokain ziem­lich vie­les sein. Im Labor des Che­mi­kers Robert Grass jedoch han­delt es sich dabei um getrock­nete, in Glas gepackte DNA. Sie kann als Medium die­nen, um Infor­ma­tio­nen über Jahr­tau­sende zu spei­chern und immer wie­der les­bar zu machen. Die Idee, DNA als Spei­cher­ort zu nut­zen, ist nicht neu. An der ETH Zürich jedoch, wo die bei­den nun kürz­lich mit dem Euro­päi­schen Erfin­der­preis in der Kate­go­rie „For­schung“ aus­ge­zeich­ne­ten Che­mie­in­ge­nieure Robert Grass und Wen­de­lin Stark for­schen, wurde jedoch das Pro­blem der lang­fris­ti­gen Sta­bi­li­sie­rung gelöst. „Ich bin mit der Fas­zi­na­tion für Juras­sic Park auf­ge­wach­sen“, erzählt Grass, Jahr­gang 1979. „Daher war das Vor­bild des Fos­sils bei mir immer im Hin­ter­kopf, als es darum ging, in DNA gespei­cherte Infor­ma­tio­nen für lange Zeit­räume zu kon­ser­vie­ren. DNA in Kno­chen und Zäh­nen über­dau­ert immer­hin Jahr­tau­sende.“ Und so fan­den die bei­den eine Methode, kur­zen DNA-Strän­gen eine feine Glas­hülle zu verpassen.

Schon allein die Nomi­nie­rung für den Euro­päi­schen Erfin­der­preis ist eine Ehre: Ledig­lich 15 Teams aus der gan­zen Welt wur­den von der Jury für den Publi­kums­preis aus­er­wählt, der heuer erst­mals vir­tu­ell ver­lie­hen wurde. Der Preis wird seit 2006 vom Euro­päi­schen Patent­amt gestif­tet. Mit dem heuer bereits zum 15. Mail in fünf ver­schie­de­nen Kate­go­rien ver­ge­be­nen Erfin­der­preis zeich­net das Euro­päi­sche Patent­amt Erfin­der aus, die einen außer­ge­wöhn­li­chen Bei­trag zur Ent­wick­lung der Gesell­schaft, zum tech­no­lo­gi­schen Fort­schritt und zum Wirt­schafts­wachs­tum leisten.

Robert Grass kam – wie so viele krea­tive Köpfe vor ihm – über einen Umweg zu sei­nem Spe­zial-For­schungs­ge­biet. „Che­mie habe ich stu­diert, weil ich einen exzel­len­ten Leh­rer hatte. Und da mir die Anwend­bar­keit immer wich­tig war, habe ich mich für Che­mie-Inge­nieurs­we­sen ent­schie­den“, erzählt Grass, der aus Vor­arl­berg stammt, aber seit sei­ner Stu­di­en­zeit in der Schweiz lebt. Sein Groß­va­ter stammt aus Zürich, von Bre­genz aus war es nicht weit – und das Stu­dium war schon damals ziem­lich straff struk­tu­riert. Drei Gründe für Grass, um sein Glück im Wes­ten zu suchen. „Das ver­schulte Sys­tem an der ETH ist mir zugu­te­ge­kom­men, sonst wäre ich leicht im Chaos versunken.“

Beim Ler­nen gelernt

Nach dem Ende des Stu­di­ums, einem For­schungs­auf­ent­halt in Cleveland/​Ohio und sei­nem Dok­to­rat über Nano­par­ti­kel konnte Grass gleich an der ETH Zürich Fuß fas­sen. In einem sei­ner Pro­jekte war er damit beschäf­tigt, für einen Kun­den mit­tels ein­ge­brach­ter Nano­par­ti­kel unter­ir­di­sche Erd­öl­vor­kom­men zu loka­li­sie­ren. Die Nach­ver­fol­gung der Nano­par­ti­kel gestal­tete sich schwie­rig und Grass war gerade auf der Suche nach einer bes­se­ren Lösung.

Zur glei­chen Zeit unter­stützte er seine Frau – damals noch ange­hende Vete­ri­när­me­di­zi­ne­rin – beim Ler­nen für die Bio­che­mie­prü­fung. „Im Zuge des­sen bin ich erst­mals mit PCR und Virus­nach­wei­sen in Kon­takt gekom­men und war begeis­tert von der hoch­sen­si­blen Nach­weis­bar­keit von DNA. Da reicht schon ein Par­ti­kel.“ Aus die­sem neuen Wis­sen wur­den sofort neue Ideen der Anwend­bar­keit gebo­ren und so ver­band Grass das neue bio­me­di­zi­ni­sche Wis­sen mit sei­ner bereits vor­han­de­nen Exper­tise in Mate­ri­al­wis­sen­schaft. Nach und nach begann er, sich auch mit DNA als Infor­ma­ti­ons­spei­cher­me­dium auseinanderzusetzen.

Wäh­rend seine Kar­riere an der ETH kon­ti­nu­ier­lich vor­an­schritt – im Jahr 2017 wurde er eben­dort zum Titu­lar-Pro­fes­sor ernannt –, pro­fi­lierte er sich neben­bei auch als Unter­neh­mer: 2007 grün­dete er die Tur­bo­Beads GmbH, spä­ter betei­ligte er sich auch an der Hae­lixa AG und der Hemo­tune AG. Turbo-Beads stellt magne­ti­sche Nano­par­ti­kel für die Bio­mo­le­kül­tren­nung her; unter ande­rem ein Extrak­ti­ons-Kit für Viren-DNA, das für PCR ver­wen­det wird und sich im Moment beson­ders gut ver­kauft. „Aber wir sind nur ein ganz klei­ner Player am Markt“, betont Grass. Hae­lixa nutzt bereits DNA als Spei­cher­me­dium – aller­dings ledig­lich zur Her­kunfts­be­zeich­nung von Pro­duk­ten und Roh­stof­fen, und Hemo­tune beschäf­tigt sich mit Blutreinigung.

Infor­ma­tion im Produkt

Auch für die Spei­cher-DNA im Glas­kü­gel­chen fal­len Grass sofort medi­zi­ni­sche Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten ein: „Wir haben aus Spaß in ein Plas­tik­häs­chen aus dem 3D-Dru­cker die Druck­an­lei­tung in DNA codiert mit hin­ein­ge­ge­ben“, erzählt er. „Das­selbe Prin­zip ließe sich auch bei Implan­ta­ten anwen­den, um die Spe­zi­fi­ka­tion des Pro­dukts im Gegen­stand selbst zu spei­chern.“ Bei einem Gewähr­leis­tungs­fall müsste nicht im Unter­neh­men nach 20 Jah­ren in irgend­wel­chen Ord­nern nach den Infor­ma­tio­nen gesucht wer­den. Sie wären im Implan­tat selbst vor­han­den. Aber auch in Medi­ka­men­ten könn­ten alle wich­ti­gen Infor­ma­tio­nen dazu per DNA abge­spei­chert wer­den. „DNA lässt sich ein­fach mil­lio­nen­fach kopie­ren und braucht so gut wie kei­nen Platz.“ Aller­dings müsste das Aus­le­sen der Basen­paar-Stränge noch ver­ein­facht wer­den. „Prin­zi­pi­ell wird die DNA zur Deco­die­rung wie üblich sequen­ziert, um die Kom­bi­na­tion der Basen­paare zu erhal­ten, die dann wie­der in einen digi­ta­len Code umge­wan­delt wer­den, den der Rech­ner in den Ori­gi­nal­text rück­über­setzt.“ Ein auf­wen­di­ges Ver­fah­ren, das sich nicht gerade für die täg­li­che Nut­zung eignet.

Über Jahr­hun­derte kon­ser­viert wer­den sol­len ohne­hin nur wich­tige Infor­ma­tio­nen, an denen auch noch in fer­nen Zei­ten Bedarf bestehen wird. „Wir gehen ja davon aus, dass es an so etwas Ele­men­ta­rem wie der DNA immer Inter­esse geben wird und daher auch in fer­ner Zukunft Sequen­zie­rungs­mög­lich­kei­ten bestehen wer­den.“ Da enorm viel Infor­ma­tion auf klei­nem Raum gespei­chert wer­den kann, hält es Grass für sinn­voll, gleich die Deco­die­rungs­an­lei­tung mit auf den DNA-Strang zu brin­gen. „So wie bei den Schall­plat­ten, die die Raum­sonde Voya­ger an Bord hat – mit Infor­ma­tio­nen über die Mensch­heit. Auch bei die­sen Plat­ten fin­det sich eine sche­ma­ti­sche Anlei­tung, wie die Schall­wel­len zu pro­du­zie­ren sind.“ Natür­lich bleibt es unge­wiss, ob neben dem codier­ten Mate­rial auch das Wis­sen um die Deco­die­rungs­mög­lich­keit lang­fris­tig erhal­ten bleibt.

Die künst­lich syn­the­ti­sierte DNA zur Infor­ma­ti­ons­kon­ser­vie­rung wird nur in klei­nen Strän­gen zu je 150 Basen­paa­ren „abge­packt“. Diese wer­den num­me­riert – und mit einer gewis­sen Red­un­danz ver­se­hen. Damit die Rei­hen­folge klar ist und – wenn ein Körn­chen her­un­ter­fällt – nicht wich­tige Infor­ma­tio­nen ver­lo­ren gehen.

Aus­tausch beim Rudern

Den Umfang der nöti­gen Red­un­danz hat ein Ruder­kol­lege von Grass errech­net. Auch wenn Grass nicht mehr wie in sei­ner Jugend am Boden­see regel­mä­ßig rudert, trai­niert er all­jähr­lich für ein ganz spe­zi­el­les Event: „Jedes Jahr fin­det in Zürich eine uni­ver­si­täre Ruder­re­gatta statt“, so Grass. „Vor zehn Jah­ren wurde dann eine spe­zi­elle Regatta der ETH-Pro­fes­so­ren ins Leben geru­fen. Und die ver­bin­det die Kol­le­gen eben auch interdisziplinär.“

Sport spielt ganz gene­rell eine große Rolle im Leben von Robert Grass, sofern bei drei klei­nen Kin­dern die Zeit dafür bleibt. „Im Som­mer bin ich oft mit dem Renn­rad unter­wegs. Für den Win­ter habe ich eine Fahr­rad­rolle im Kel­ler.“ Damit das Radeln im Kel­ler nicht fad wird, nutzt Grass dort Com­pu­ter­spiele, die eine Fahrt durch ima­gi­näre Land­schaf­ten vorgaukeln.

Aber die bes­ten Ideen kom­men ihm nicht wäh­rend der Anstren­gung beim Sport, gesteht er. Grass lässt sei­nen Gedan­ken beson­ders dann freien Lauf, wenn er mit sei­nem Hund spa­zie­ren geht.

© Öster­rei­chi­sche Ärz­te­zei­tung Nr. 15–16 /​15.08.2021