DNA als Datenspeicher der Zukunft

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In DNA, der Desoxyribonukleinsäure des menschlichen Körpers und anderer Lebewesen, ist das Erbgut gespeichert – der komplette Bauplan des Lebens. Diesen Träger der genetischen Informationen, ein chemisches Molekül, wollen sich Forscher auch für die dauerhafte Speicherung von riesigen Datenmengen als DNA Datenspeicher zunutze machen.

Speicherung der Daten in DNA-Strängen

Bereits seit längerem arbeitet die University of Washington in Seattle zusammen mit dem amerikanischen Software-Konzern Microsoft daran, DNA als Speichermedium zu nutzen. Nun hat das Forscherteam ein System entwickelt, das Daten automatisch in DNA-Strängen ablegen und wieder abrufen kann. Gespeichert werden die Daten in künstlich hergestellten DNA-Strängen.

Speichertechnik der Natur nutzen

Nun haben es die Wissenschaftler zum ersten Mal geschafft, Daten auf diese Weise mit einem automatisierten System zu speichern und wiederherzustellen. Zu Demonstrationszwecken haben die Entwickler das Wort «Hello» in DNA-Stücken untergebracht und wieder encodiert.

Dabei ist nicht das Speichern der Daten an sich ist neu – dem Forscherverbund ist es bereits vor rund zweieinhalb Jahren gelungen, 200 Megabyte Daten in DNA zu schreiben.  Mittlerweile ist ein Gigabyte möglich. Der jüngste Erfolg liegt vielmehr in der Automatisierung des Verfahrens und wird von den Wissenschaftlern als «entscheidender Schritt» gefeiert, um die Technik aus dem Labor in kommerzielle Rechenzentren bringen zu können. «In einem Datencenter können Leute ja nicht mit Pipetten herumlaufen – das wäre zu anfällig für menschliche Fehler, zu kostspielig und zu kompliziert», erklärt Chris Takahashi, Senior Research Scientist der University of Washington.

DNA Datenspeicher – Automatisiert ablegen und auslesen

Um digitale Dateien in DNA zu speichern, muss Software zunächst die Nullen und Einsen der binären Codes in lange Folgen der vier Buchstaben A, C, G und T übersetzen. Diese stehen für die Nukleotide Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T), aus denen DNA besteht.

Zur chemischen Fertigung der künstlichen DNA werden die entsprechenden Flüssigkeiten und Elemente dann einer Synthesemaschine zugeführt. Beim Abrufen der Daten werden die DNA-Sequenzen der Stränge wiederum ausgelesen und decodiert.

Entscheidende Teile dieser sogenannten Synthetisierung und Sequenzierung werden bereits automatisiert ausgeführt – wie etwa auch bei der Entschlüsselung des menschlichen Erbguts. Viele der Zwischenschritte des entwickelten DNA-Speicherverfahrens aber, so Microsoft, konnten bisher nur manuell erledigt werden.

DNA als Speichermedium

Grundsätzlich eignet sich DNA als Speichermedium der Zukunft gleich in zweierlei Hinsicht. Zum einen können Unmengen von digitalen Daten auf kleinstem Raum untergebracht werden. Datenmengen, die mit bisherigen Speichermethoden etwa ein ganzes Datencenter belegen, könnten laut dem Softwarekonzern dank DNA-Speichertechnologie künftig nur noch die Grösse von ein paar Brettspiel-Würfeln beanspruchen.

Zum anderen ist DNA ein sehr stabiles Molekül und kann Daten unter günstigen Bedingungen nicht nur über Jahre, sondern auch über Jahrhunderte hinweg erhalten. Beispielsweise lassen sich erhaltene Knochen ausgestorbener Tiere heute noch entschlüsseln. Wichtige Daten, die langfristig erhalten werden sollen, werden heute vor allem auf Magnetbändern gespeichert. Diese halten jedoch im besten Fall ein paar Jahrzehnte.

Speicherzentren auf DNA-Basis

Entsprechend sehen die Forscher in der DNA-Speichertechnik eine «vielversprechende Lösung», um der explodierenden Menge an Daten, die die Welt jeden Tag erzeugt, speichern zu können – angefangen von Geschäftsdokumenten und persönlichen Videos über medizinische Aufnahme bis hin zu Bildern aus dem Weltall.

Das automatisierte DNA-Data-Storage-System von der University of Washington und Microsoft ist derweil noch sehr langsam. Die Informationen auszulesen dauerte sechs Minuten – die fünf Bytes des Wortes «Hello» als künstliche DNA zu speichern erforderte 21 Stunden.

Am Ende der Entwicklung sollen für die DNA Datenspeicher jedoch DNA-Speicherzentren stehen, die so einfach funktionieren wie Cloud-Speicherdienste heute, so die Vision der Forscher.

 

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