DNA-Speicher – Rettung aus der Datenkrise

goldman_dna_storageDie Welt steht vor einer massiven Datenkrise. Experten schätzen, dass bis 2020 das digitale Gedächtnis unserer Zivilisation ungefähr 44 Billionen Gigabyte betragen wird. Um diese Daten auf Speicherchips abzubilden, würde man zehn- bis hundertmal mehr Silizium benötigen als für Mikrochips verfügbar ist. Die molekulare Datenspeicherung hat das Potenzial einen Ausweg aus dieser prekären Situation zu bieten. Könnte man digitale Informationen so dicht packen wie in den Genen des Bakteriums Escherichia coli, käme man mit etwa einem Kilogramm DNA hin, um alle Daten unserer Welt zu speichern.

Die Zahlen beeindrucken: Auf einen Kubikmillimeter DNA soll es möglich sein, eine Milliarde Gigabyte an Daten abzulegen. Zum Vergleich – das gesamte Internet ließe sich in einem entsprechenden DNA-Speicher von der Größe eines Schuhkartons speichern. Herkömmliche Speichermedien können da nicht ansatzweise mithalten. Die besten optischen und magnetischen Speicher in den Labors der bekannten High-Tech-Unternehmen kommen derzeit auf 100 Gigabyte pro Kubikmillimeter.

Im Moment setzt man in Sachen digitaler Langzeitarchivierung »altmodische« Magnetbänder ein. Dieses Medium ist immer noch hervorragend dazu geeignet Informationen immens dicht zu packen, sehr viel kompakter als etwa in Silizium-basierten Speichern. Ein Rechenzentrum mit einem Exabyte (einer Milliarde Gigabyte) an Daten auf Bandlaufwerken wäre durchaus vorstellbar, aber kaum realisierbar. Der Bau und Betrieb eines solchen Speicherzentrums würde über zehn Jahre mehr eine Milliarde US-Dollar verschlingen sowie Hunderte von Megawatt an Energie verbrauchen. Alternativen müssen her, und zwar dringend!

Wenn der Sand knapp wird…

So imponierend die theoretischen Fähigkeiten der DNA sind, so schwierig ist die praktische Umsetzung. Die Wissenschaft kämpft dabei vor allem mit Problemen, wie dem zuverlässigen Schreiben und dem gezielten Auslesen der Informationen in bzw. aus der DNA – von einer kostengünstigen und schnellen Produktion der Nukleotid-Stränge einmal ganz zu schweigen. Aber, auch wenn die Herausforderungen gewaltig sind, lohnt die Forschung in diesem Bereich. Seit mehr als zehn Jahren sucht man nach einer Alternative zum Silizium, aus dem unsere aktuellen Speicherchips bestehen. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache begründet, dass Silizium immer knapper und damit teurer wird. Sand, der unter anderem Silizium, Thorium, Titan und Uran enthält ist wichtigster Bestandteil unserer Modernen Elektronik-Gesellschaft, die quasi auf Sand gebaut ist. Geologen schlagen schon seit vielen jähren Alarm. Der weltweit stattfindende Bauboom bedroht massiv die Ressourcen des begehrten Materials. Stahlbeton etwas besteht zu einem drittel aus Zement und zu zwei Dritteln aus Sand. Zum Vergleich: Ein ganz normales Einfamilienhaus besteht aus ungefähr 200 Tonnen Sand. Nun könnte man zwar meinen, dass es genug Sand in den Wüster der Erde gibt, aber dieser ist für die Baubranchen nur wenig geeignet. Er ist zu glatt. Und genau aus diesem Grund bauen unzählige Bau-Konzerne Sand aus Flussbetten oder Kiesgruben ab. Kurzum – der Sand geht zu Neige und damit auch das wertvollen Material Silizium. DNA scheint daher der optimale und hoffnungsvollste Kandidat in Sachen Speichermaterial zu sein.

Und wie funktioniert´s?

Computervisionär Nick Goldman vom European Bioinformatics Institute in Cambridge hat es geschafft. In wenigen Worten: Er fotografierte einen Baum vor seinem Institut und bannte ihn dann als digitales Abbild auf DNA. Eine Sensation! Den Schnappschuss aus dem Fenster seines Büros übersetzte der Wissenschafter in einen ganz speziellen Digitalcode mit Nullen und Einsen – und Zweien. Außergewöhnlich. Anschließend übersetzt eine Software das Ganze dann in den DNA-Code (in die Basen Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin). Ist er Code fertig generiert geht dieser an eine Maschine, die in der Lage ist, DNA-Moleküle zu bauen. Somit entsteht Buchstabe für Buchstabe eine künstliche Speicher-DNA. „Vor allem die DNA herzustellen, kostet noch sehr viel. Aber die Preise kommen dank der Genomforschung schnell runter. Wir denken, die Technologie wird in zehn Jahren um einen Faktor hundert billiger werden. Und dann könnten sie wohl Privatpersonen oder Firmen regelmäßig nutzen“, so Goldman in einem Interview. Das Ergebnis ist ein Datenspeicher in Form eines kleinen Röhrchens mit einer winzigen »Portion« gefriergetrockneter DNA.

Theoretisch hat das kleine Röhrchen eine Speicherkapazität von einer Million Gigabyte – eine Menge, die ungefähr 6.000 USB-Speichersticks benötigen würde. Ein Aspekt begeistert die Birminghamer Wissenschaftler stets aufs Neue: DNA-Speicher sind robust und langlebig, wie kein anderes Medium. Sie sind resistent gegen Wasser, UV-Strahlung und viele andere widrige Einflüsse mehr. Wie DNA-Funde von Mammuts belegen, bleibt DNA selbst über Jahrmillionen hinweg stabil.

Um die Informationen aus der DNA auszulesen, benötigt man lediglich einen DNA-Sequenzierer zum Einsatz. Und genau hier ist noch erheblicher Entwicklungsaufwand notwendig. Bei den Daten aus der DNA fehlt die Typenbezeichnung, so dass man nicht weiß, ob es sich um Bild, Audio oder Text handelt. Zudem gibt es im Moment noch sehr viele Bildfehler. Man sieht sofort, dass das Bild des Baumes sich doch erheblich vom geschossenen Foto unterscheidet. Die Qualität ist schlecht und fehlerhaft. Bisher muss die DNA-Sequenz mehrfach entschlüsselt werden um ein einigermaßen brauchbares Ergebnis zu bekommen.

Zudem ist es sehr schwierig bis kaum möglich, gezielte Informationen aus der DNA zu laden – man muss stets den kompletten DNA-Strang entschlüsseln. Es gibt also noch viel zu tun im Bereich der DNA-Speicher.

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