{"id":680873,"date":"2025-12-30T18:26:11","date_gmt":"2025-12-30T18:26:11","guid":{"rendered":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/680873\/"},"modified":"2025-12-30T18:26:11","modified_gmt":"2025-12-30T18:26:11","slug":"39c3-wenn-molekuele-zu-kryptografischen-funktionen-werden","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/680873\/","title":{"rendered":"39C3: Wenn Molek\u00fcle zu kryptografischen Funktionen werden"},"content":{"rendered":"
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    39C3: Wenn Molek\u00fcle zu kryptografischen Funktionen werden <\/p>\n<\/li>\n<\/ol>\n

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    DNA gilt gemeinhin als Bauplan des Lebens. Auf dem 39. Chaos Communication Congress<\/a> l\u00f6ste die Chemikerin Anne L\u00fcscher das Molek\u00fcl jedoch konsequent aus diesem biologischen Kontext und betrachtete es als das, was es aus informationstechnischer Sicht ebenfalls ist: ein extrem dichter, stabiler und \u00fcberraschend gut beherrschbarer Informationstr\u00e4ger. In ihrem Vortrag \u201eChaos Communication Chemistry: DNA security systems based on molecular randomness\u201c<\/a> zeigte sie, warum sich ausgerechnet synthetische DNA f\u00fcr Datenspeicherung und Sicherheitsarchitekturen eignet \u2013 und warum RNA dabei kaum eine Rolle spielt.<\/p>\n

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    Warum DNA als Informationstr\u00e4ger taugt<\/p>\n

    Aus digitaler Perspektive sei DNA leicht zu lesen, so L\u00fcscher: Vier Basen, klare Paarungsregeln, sequenzielle Speicherung. \u201eGenau wie bei digitaler Information speichert DNA Daten in einer Sequenz, und im Grunde m\u00fcssen wir nur zwischen Basis zwei und Basis vier \u00fcbersetzen. Wir k\u00f6nnen einfach zwei Bits pro Base zuweisen und so zwischen digitaler oder bin\u00e4rer Information und DNA hin- und her\u00fcbersetzen.\u201c<\/p>\n

    Entscheidender seien jedoch die physikalischen Eigenschaften. DNA als Speichermedium<\/a> vereint enorme Informationsdichte mit Langzeitstabilit\u00e4t \u2013 unter geeigneten Bedingungen \u00fcber Zeitr\u00e4ume, die heutige Speichermedien weit \u00fcbersteigen. Dass sich das Genom eines etwa 700.000 Jahre alten Pferdeknochens noch auslesen lie\u00df, sei weniger biologische Kuriosit\u00e4t als technisches Argument. Im Labor lie\u00dfen sich diese Bedingungen k\u00fcnstlich erzeugen, etwa durch Einkapselung in winzige Glask\u00fcgelchen.<\/p>\n

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    Hinzu komme ein Aspekt, der in der Informatik zunehmend an Bedeutung gewinne: Parallelit\u00e4t. Molekulare Systeme arbeiteten nicht sequenziell, sondern massiv parallel. \u201eDenn wenn man an einen winzigen Wassertropfen denkt \u2013 da sind so viele Molek\u00fcle drin, und im Fall von DNA kann jedes dieser Molek\u00fcle potenziell sein eigener Prozessor sein, der Berechnungen eigenst\u00e4ndig durchf\u00fchrt, gleichzeitig und unabh\u00e4ngig von den anderen. Und das er\u00f6ffnet M\u00f6glichkeiten f\u00fcr parallele Operationen, die mit traditioneller Computertechnik so nicht m\u00f6glich sind.\u201c<\/p>\n

    Die Frage nach RNA dr\u00e4ngt sich auf, nicht zuletzt durch ihre prominente Rolle in der Medizin. In der Fragerunde erl\u00e4uterte L\u00fcscher, warum technisch klare Gr\u00fcnde dagegen sprechen: RNA sei einzelstr\u00e4ngig und chemisch instabil. Eine zus\u00e4tzliche Hydroxylgruppe mache sie besonders anf\u00e4llig f\u00fcr Hydrolyse. F\u00fcr Anwendungen, bei denen Daten \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume erhalten bleiben sollen, sei das ungeeignet. DNA dagegen sei doppelstr\u00e4ngig, robust und von einem \u00fcber Jahrzehnte gewachsenen Werkzeug-\u00d6kosystem begleitet: Synthese, PCR, Sequenzierung und gezielte Manipulation seien etabliert und zuverl\u00e4ssig verf\u00fcgbar. Bei anderen Biomolek\u00fclen wie Proteinen fehlten diese direkten Werkzeuge weitgehend \u2013 ein Protein lasse sich etwa nicht direkt von einem anderen Protein kopieren.<\/p>\n

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    Auch gro\u00dfe Akteure wie Microsoft und Seagate h\u00e4tten inzwischen eigene Teams f\u00fcr DNA-Datenspeicherung aufgebaut, berichtete L\u00fcscher. Fortschritte bei Random Access, Fehlerkorrektur und optimierter Kodierung durch epigenetische Methoden<\/a> seien erzielt worden. Dennoch bef\u00e4nden sich die meisten realisierten Projekte bisher eher im Bereich Kunst und PR \u2013 etwa die Speicherung von Musik der Band Massive Attack in DNA, die dann in Spr\u00fchfarbe f\u00fcr ein Albumcover gemischt wurde.<\/p>\n

    Zuf\u00e4lligkeit als kryptografische Ressource<\/p>\n

    Besonders interessant werde DNA dort, wo Zuf\u00e4lligkeit ins Spiel komme, erkl\u00e4rte L\u00fcscher. \u201eIn einer einzigen Reaktion k\u00f6nnen wir durch die Kombination der vier Basen riesige Mengen an Zuf\u00e4lligkeit in einer einzigen Reaktionsumgebung erzeugen. Und hier sehen Sie einige Zahlen. Wir k\u00f6nnen hunderte Petabytes an Zuf\u00e4lligkeit f\u00fcr unter 100 Euro erzeugen.\u201c Diese Zuf\u00e4lligkeit sei praktisch nicht rekonstruierbar, weder algorithmisch noch durch erneute Synthese. Darauf aufbauend lie\u00dfen sich sogenannte chemische Unclonable Functions (CUFs) realisieren: zuf\u00e4llige DNA\u2011Pools, die zwar nicht vollst\u00e4ndig bekannt oder kopierbar seien, sich aber gezielt \u201eabfragen\u201c lie\u00dfen.<\/p>\n

    Das Prinzip funktioniere \u00fcber PCR mit definierten Primern, so L\u00fcscher. Diese Primer suchten im Pool nach passenden Sequenzen, b\u00e4nden dort und kopierten den dazwischenliegenden Abschnitt. Das Ergebnis sei spezifisch f\u00fcr die Kombination aus Pool und Primer\u2011Paar \u2013 reproduzierbar, aber nicht vorhersagbar oder umkehrbar. \u00c4hnlich wie bei physikalischen Unclonable Functions (PUFs) entstehe so ein System, das sich wie eine kryptografische Hashfunktion verhalte, aber auf chemischer statt mathematischer Grundlage basiere.<\/p>\n

    Im Unterschied zu klassischen PUFs seien diese Systeme nicht an ein einzelnes physisches Objekt gebunden, betonte L\u00fcscher. Durch chemische Verfahren lie\u00dfen sich identische Kopien der zuf\u00e4lligen Pools herstellen, ohne deren genaue Zusammensetzung zu kennen. Anschlie\u00dfend k\u00f6nnten diese Kopien \u201everriegelt\u201c werden, sodass sie sich nicht mehr weiter vervielf\u00e4ltigen lie\u00dfen. Damit werde die Anzahl m\u00f6glicher Abfragen im Voraus definiert, und mehrere Nutzer k\u00f6nnten denselben Pool f\u00fcr dezentrale Anwendungen verwenden \u2013 etwa zur gegenseitigen Authentifizierung oder zur gemeinsamen Schl\u00fcsselgenerierung.<\/p>\n

    Anwendungen: Von Kunstwerken bis Medikamenten<\/p>\n

    DNA lasse sich zudem in Materialien integrieren, erl\u00e4uterte L\u00fcscher. In Farben, Kunststoffe oder 3D\u2011Druckfilamente eingebettet, erm\u00f6gliche sie objektgebundene Metadaten mit extrem langer Haltbarkeit. Ein Forschungsprojekt habe etwa eine STL\u2011Druckdatei in DNA gespeichert, diese in das Druckfilament integriert und daraus einen Kunststoffhasen hergestellt. Aus einem winzigen St\u00fcck des Ohrs habe sich die DNA extrahieren und der Hase erneut drucken lassen. \u201eUnd es hat auch einige praktische Anwendungen. Denn wenn man an Objekte mit einer sehr langen Lebensdauer denkt, wie Geb\u00e4ude oder \u00f6ffentliche Infrastruktur, kann es wirklich schwierig sein, die Daten und Metadaten zu diesen Objekten \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum zu erhalten. Und auf diese Weise k\u00f6nnten wir das l\u00f6sen, indem wir diese Information einfach direkt in die Baumaterialien integrieren.\u201c<\/p>\n

    Konkrete Anwendungen f\u00fcr CUFs reichten von der Authentifizierung von Kunstwerken bis zum F\u00e4lschungsschutz von Medikamenten. Ein winziger Materialchip gen\u00fcge, um eine eindeutige chemische Signatur auszulesen und mit einer Referenz abzugleichen. Da die Pools weder vollst\u00e4ndig sequenzierbar noch synthetisch reproduzierbar seien, w\u00e4re ein Angriff extrem aufwendig: Die chemische Modifikation verhindere die \u00fcbliche Sequenzier\u2011Vorbereitung, und selbst bei erfolgreicher Sequenzierung w\u00fcrde die gezielte Neusynthese aller Sequenzen Milliarden kosten.<\/p>\n

    Trotz des Potenzials blieb L\u00fcschers Blick realistisch. \u201eAber f\u00fcr diese Operationen, also eine einzelne Challenge-Response pro Durchgang, dauert es im Moment ein paar Stunden, und dann m\u00fcssen wir die Ergebnisse sequenzieren, was wieder ein paar Stunden dauert. Wenn man also ein Medikament authentifizieren will, m\u00fcsste man im Grunde einen Tag warten. Das ist der Stand im Moment.\u201c<\/p>\n

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    Der eigentliche Wert liegt laut Anne L\u00fcscher in der Perspektive: Chemie als Informationswissenschaft zu denken und physische Systeme mit einem digitalen Blick zu betrachten. DNA werde dabei nicht als Ersatz f\u00fcr Silizium pr\u00e4sentiert, sondern als Erg\u00e4nzung \u2013 dort, wo Haltbarkeit, Dichte, Zuf\u00e4lligkeit und physische Nicht\u2011Klonbarkeit entscheidend seien. Das Feld brauche Expertise aus verschiedenen Disziplinen: Menschen mit Laborerfahrung ebenso wie solche mit Hacker\u2011Mindset, die bereit seien, diese Herausforderungen anzugehen.<\/p>\n

    (vza<\/a>)<\/p>\n

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