Digitale Schlüssel dank DNA-Molekülen

ETH-Forschende haben erstmals eine riesengrosse Zufallszahl mittels Synthese von Erbgut-Bausteinen generiert. Um digitale Schlüssel zu erzeugen, braucht jedes Verschlüsselungsverfahren solche Zufallszahlen.

In der Kryptografie werden Abfolgen zufälliger, nicht vorhersehbarer Zahlen verwendet, um geheime Informationen zu speichern und zu übermitteln. So nutzt etwa das digitale Zahlungsmittel Bitcoin kryptografische Verfahren, um sicherzustellen, dass Transaktionen unterwegs nicht verfälscht wurden.

Um Zufallszahlen zu generieren, werden bisher vor allem physikalische Phänomene genutzt – etwa Hintergrundrauschen, radioaktive Zerfallsprozesse oder quantenphysikalische Effekte. Die Forschenden um den ETH-Professor Robert Grass nutzten nun eine chemisch-biologische Methode, die sie im Fachmagazin «Nature Communications» beschreiben.

Dazu synthetisierten sie ein DNA-Molekül aus insgesamt 64 Erbgut-Bausteinen. Das Erbgut setzt sich aus den vier Basen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) zusammen. Mit dem Zufallsprinzip liessen die Forschenden jeweils eine der Basen auf eine der 64 Positionen zu liegen kommen. So gelang es ihnen, eine Mischung von geschätzt drei Billiarden solcher Moleküle herzustellen, wie die ETH Zürich mitteilte.

Perfekte zufällige Zahlen

Anschliessend bestimmten die Wissenschaftler die Bausteinabfolge von 5 Millionen dieser Moleküle. Das waren 12 Megabytes an Daten, die die Forschenden in einer Abfolge von Nullen und Einsen auf einem Computer abspeicherten. Indem sie die Moleküle analysierten, entdeckten sie, dass die Bausteine G und T etwas häufiger eingebaut wurden. Mit einem Algorithmus korrigierten sie dieses Ungleichgewicht und generierten so «perfekte zufällige Zahlen».

Die DNA-Synthese hätte gegenüber herkömmlichen Methoden den Vorteil, eine grosse Menge an Zufälligkeit zu generieren, die man in einem kleinen Reagenzglas aufbewahren könne, sagte Grass.

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19757-y