In den letzten Jahren haben Wissenschaftler das Genom von 700.000 Jahre alten Mammuts und Pferden mithilfe von DNA-Fragmenten entschlüsselt, die aus Fossilien extrahiert wurden. DNA hält definitiv viel länger als Organismen, für die sie genetische Codes trägt. Informatiker und Ingenieure haben lange davon geträumt, die Diminutivität und Widerstandsfähigkeit von DNA für die Speicherung digitaler Daten zu nutzen. Sie wollen all diese Nullen und Einsen in die Moleküle A, C, G und T kodieren, die die Wendeltreppe des DNA-Polymers bilden - und die Fortschritte dieses Jahrzehnts bei der DNA-Synthese und -Sequenzierung haben zu einem großen Durchbruch geführt. Jüngste Experimente haben gezeigt, dass wir eines Tages alle digitalen Informationen der Welt in wenigen Litern DNA kodieren können - und sie Tausende von Jahren später erneut lesen können.
Das Interesse von Microsoft und anderen Technologieunternehmen erhöht die Spannungen in diesem Bereich. Im vergangenen Monat kündigte Microsoft Research an, das Startup Twist Bioscience für synthetische Biologie für die Erstellung von 10 Millionen DNA-Strängen zu bezahlen, die von Microsoft-Informatikern zum Speichern von Daten entwickelt wurden. Der führende Speicherhersteller Micron Technology finanziert auch die DNA-Speicherforschung, um festzustellen, ob ein Nukleinsäuresystem die Grenzen des elektronischen Speichers überschreiten kann. Dieser Zufluss von Geld und Zinsen könnte die exorbitanten Kosten schrittweise senken und die Speicherung von Daten in DNA innerhalb von zehn Jahren ermöglichen, sagen die Forscher.
Der Mensch wird bis 2017 über 16 Billionen Gigabyte digitaler Daten erzeugen, und das meiste davon muss archiviert werden. Rechtliche, finanzielle und medizinische Daten sowie natürlich Multimediadateien. Heute werden Daten auf Festplatten und optischen Datenträgern in energieintensiven Rechenzentren von der Größe eines Lagers gespeichert. Im besten Fall werden diese Daten dreißig Jahre lang gespeichert, im schlimmsten Fall mehrere. Laut der Microsoft Architect-Computerarchitektin Karin Strauss "produzieren wir viel mehr Daten als die Speicherbranche, und die Prognosen zeigen, dass sich die Lücke vergrößern wird."
Fügen wir nun all dem DNA hinzu. Es kann Jahrhunderte leben, wenn es an einem kühlen, trockenen Ort aufbewahrt wird. Theoretisch kann es Milliarden von Gigabyte Daten in einen Zuckerwürfel packen. Tape, das derzeit dichteste Speichermedium, kann 10 Gigabyte bei gleichem Speicherplatz aufnehmen. „DNA ist ein unglaublich dichtes, langlebiges und nichtflüchtiges Speichermedium“, sagt Olgica Milenkovic, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign.
Dies liegt daran, dass jedes der vier Baumoleküle - Adenin (A), Cytosin ©, Guanin (G) und Thymin (T) - ein Volumen von einem Kubiknanometer einnimmt. Mithilfe eines Codierungssystems - beispielsweise mit A für die Bits „00“, C für „01“usw. - können Wissenschaftler die Reihen von Einsen und Nullen, aus denen digitale Datendateien bestehen, erstellen und einen DNA-Strang erstellen, der einen Schnappschuss oder ein Video enthält. Natürlich ist die eigentliche Codierungstechnik viel komplizierter, als wir hier für Sie geschrieben haben. Die Synthese eines Designer-DNA-Strangs ist der Prozess des Schreibens von Daten. Wissenschaftler können sie dann lesen, indem sie die Ketten sequenzieren.
Der Harvard-Genetiker George Church gründete dieses Forschungsgebiet 2012, indem er 70 Milliarden Exemplare des Buches - eine Million Gigabit - in einem Kubikmillimeter DNA codierte. Ein Jahr später zeigten Wissenschaftler des Europäischen Instituts für Bioinformatik, dass sie ohne einen einzigen Fehler 739 Kilobyte Daten in DNA lesen konnten.
Im vergangenen Jahr haben mehrere Wissenschaftlerteams voll funktionsfähige Systeme demonstriert. Im August haben Wissenschaftler der ETH Zürich synthetische DNA in Glas eingekapselt, Bedingungen ausgesetzt, die den Ablauf von 2000 Jahren simulieren, und die codierten Daten vollständig wiederhergestellt. Parallel dazu berichteten Milenkovic und ihre Kollegen, dass sechs amerikanische Universitäten Wikipedia-Seiten in DNA gespeichert und - indem sie den Sequenzen spezielle „Adressen“zur Verfügung stellten - selektiv Teile des geschriebenen Textes gelesen und bearbeitet hatten. Der zufällige Zugriff auf Daten ist sehr wichtig, um zu vermeiden, dass "ein ganzes Buch sequenziert werden muss, um nur einen Absatz zu lesen", sagt Milenkovich.
Im April berichteten Strauss und die Wissenschaftler Jord Seelig und Luis Tsese von der University of Washington, dass sie drei Bilddateien mit jeweils mehreren zehn Kilobyte in 40.000 DNA-Strängen mit ihrem eigenen Kodierungsschema aufnehmen und dann einzeln lesen konnten, nicht Fehler machen. Sie präsentierten ihre Arbeit im April auf einer Konferenz der Association for Electronic Computing. Mit den 10 Millionen Zeichenfolgen, die Microsoft von Twist Bioscience kauft, wollen die Wissenschaftler nachweisen, dass DNA-Daten in einem viel größeren Maßstab gespeichert werden können. „Unser Ziel ist es, ein endgültiges System zu demonstrieren, in dem wir DNA-Dateien codieren, Moleküle synthetisieren, lange speichern und dann durch Sequenzierung der DNA wiederherstellen“, sagt Strauss. "Wir beginnen mit den Beats und kehren zu den Beats zurück."
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Der Speicherhersteller Micron untersucht DNA als Post-Silizium-Technologie. Das Unternehmen finanziert die Arbeit von Wissenschaftlern der Kirche und der Universität von Idaho zur Schaffung eines fehlerfreien Speichersystems in DNA. "Die steigenden Speicherkosten werden zu alternativen Lösungen führen, und die DNA-Speicherung ist eine der vielversprechendsten Lösungen", sagte Gurtei Sandu, Leiter der Entwicklung fortschrittlicher Technologien bei Micron.
Wissenschaftler suchen immer noch nach Möglichkeiten, um die Anzahl der Fehler bei der Datencodierung und -decodierung zu verringern. Der größte Teil der Technologie ist jedoch bereits vorhanden. Was hindert uns also daran, von Data Warehouses in Schuhkartongröße zu Glaskapseln mit DNA zu wechseln? Kosten. „Der Aufnahmevorgang ist millionenfach teurer“, sagt Seelig.
Hier ist der Grund: Bei der Herstellung von DNA werden Moleküle mit Nanogröße einzeln mit hoher Präzision aufgereiht - das ist keine leichte Aufgabe. Obwohl die Kosten für die Sequenzierung aufgrund der schnell wachsenden Nachfrage nach diesem Dienst sanken, hatte die DNA-Synthese keinen ähnlichen Treiber auf dem Markt. Milenkovic zahlte ungefähr 150 US-Dollar, um eine Reihe von 1.000 synthetisierten Nukleotiden herzustellen. Die Sequenzierung von einer Million Nukleotiden kostet etwa einen Cent.
Das Interesse an einer Datenspeicherung von Microsoft und Micron könnte genau das sein, was erforderlich ist, um die Kosten zu senken, sagt Seelig. Cleveres Engineering und neue Technologien wie Mikrofluidik und Nanoporen-DNA-Sequenzierung, die dazu beitragen, den Prozess zu reduzieren und zu beschleunigen, werden ebenfalls zum Fortschritt beitragen. Es dauert nun Stunden, um mehrere hundert Basenpaare - und Tage, um sie zu synthetisieren - mit einer Reihe von Geräten zu sequenzieren. Ich wünschte, ich könnte dies alles in einer kleinen Box tun, sonst würde der Vorteil der Speicherdichte verloren gehen.
Wenn alles gut geht, sieht Strauss Unternehmen vor, die für das nächste Jahrzehnt archivierte DNA-Aufbewahrungsdienste anbieten. "Sie können Ihren Browser öffnen und Dateien auf ihre Website hochladen oder Ihre Bytes zurücknehmen, wie Sie es mit der Cloud tun würden", sagt sie. Oder Sie kaufen eine DNA-Disc anstelle einer Festplatte.
ILYA KHEL
