Gentechniker beherrschen bereits erstaunlich komplexe Methoden, um Gene in Zellen für ihre Zwecke an- oder abzuschalten. Eine Schwierigkeit dabei ist jedoch noch das fehlende Gedächtnis dieser Prozesse: Könnte sich der Mechanismus "merken", was zuvor geschah, wäre eine noch genauere Steuerung der Verfahren möglich. Wissenschaftler um Drew Endy von der Stanford University forschen aus diesem Grund an dauerhaften Speicherelementen, die sich in die Zelle selbst integrieren lassen und Informationen als Bits abspeichern.

In diesem Zusammenhang haben sie nun ein DNA-basiertes Speicherelement vorgeschlagen, das die binären Daten direkt im Erbgutstrang abspeichert. Es baut auf Enzymen auf, die bestimmte Viren verwenden, um ihr eigenes Erbmaterial in die DNA ihres Wirts zu transferieren. Den aus dem Bakteriophagen Bxb 1 adaptierten Werkzeugkasten testeten sie an Zellen des Modellorganismus E. coli.

Zentraler Baustein sind Rekombinasen, deren Bauanleitung die Forscher in die DNA der zu untersuchenden Zellen einschleusten. Auf ein äußeres Signal hin stoßen die Zellen das Ablesen der entsprechenden Abschnitte an und setzen sie in funktionsfähige Enzyme um, die daraufhin mit dem Ausschneiden oder Einsetzen von vorher festgelegten DNA-Abschnitten beginnen. Ein besonderer Trick der Forscher bestand darin, ein Enzym zu verwenden, das die Reihenfolge der Sequenz des DNA-Abschnitts umkehrt, was dann zur Unterscheidung der beiden Zustände "Eins" oder "Null" herangezogen werden kann. Welche Signale den Anstoß zum Ablesen der Enzyme geben, ist vom jeweiligen Einsatzzweck abhängig und würde sich bei einer Anwendung des Verfahrens am gerade zu beobachtenden zellinternen Vorgang orientieren. Indem sie die Speichersequenzen an die Bauanleitung für fluoreszierende Proteine koppelten, konnten die Forscher mit Hilfe eines Mikroskops erfassen, in welchem Zustand sich die Speicherelemente ihrer Zellkultur gerade befanden.

Mit dem Verfahren hoffen Endy und Kollegen beispielsweise Zellteilungszyklen über einen längeren Zeitraum nachverfolgen zu können; das Speicherelement würde dabei als Zähler eingesetzt. Der große Vorteil ihres Ansatzes gegenüber ähnlichen Verfahren sei, dass das Speicherelement beliebig oft umgeschaltet werden könne, ohne dass sich eine Leistung verringert, und darüber hinaus über rund 100 Zellteilungszyklen stabil bleibe. Damit dürfte es sich ihrer Meinung nach zum Beispiel für die Alternsforschung eignen. Dort interessieren sich Forscher vielfach für Prozesse, die erst nach mehreren hundert Zellteilungen auftreten.