Zukunft Gen-Festplatten: DNA als Speichermedium

DNA als Festplatte

Wohin mit den Terabyte an Daten, die tagtäglich erzeugt werden? Die weltweiten Serverräume stoßen irgendwann an ihre ökonomischen und ökologischen Grenzen. Forscher und Unternehmen tüfteln bereits an alternativen Datenspeichern. DNA gilt dabei als aussichtsreicher Kandidat für den Job der Festplatte von morgen.

Jeder kennt das noch aus dem Bio-Unterricht: Die Grundlage jeglicher Lebensform ist Desoxyribonukleinsäure (englisch: deoxyribonucleic acid, DNA). Alle Zellen jedes Lebewesens, beispielsweise Tiere, Menschen, Pflanzen und Bakterien, besitzen das komplette Erbgut. Die DNA ist sozusagen der Bauplan für das Lebewesen – im Prinzip ein Speichermedium für Informationen.

Die DNA ist eine Doppelhelix, d.h. sie besteht aus zwei Strängen. Die Stränge werden aus vier verschiedenen Bausteinen (Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin) zusammengebaut, durch die Bindung dieser Basen zueinander (A bindet T und G bindet C) entsteht die Doppelhelix.

DNA
Quelle: http://www.somersault1824.com/science-illustrations/

Die menschliche DNA besteht aus drei Milliarden Bausteinen (Basenpaaren As, Ts, Cs und Gs), sie enthält alle Informationen, die nötig sind, damit der Mensch funktioniert. Gespeichert sind zum Beispiel der komplette Aufbau des Körpers sowie seine Funktionsweise wie der Energiestoffwechsel. Laut Wired kommen etwa 200 Gigabyte (GB) an Informationen pro Mensch zusammen – die Menge passt auf rund 13 Standard-iPads. Das Geniale an der DNA: Die komplette Information über den Menschen ist in einem Zellkern der Größe 5 bis 16 µm gespeichert – also einem Bruchteil der Fläche eines iPads.

Bio-Festplatten mit Potenzial

Wäre es nicht sinnvoll, die in der Biologie vorgelebte, effiziente Art der Datenspeicherung zu nutzen? Derzeit entstehen mehrere Trillionen Bytes (Terabytes) täglich an neuen Informationen. Sie werden in riesigen Rechenzentren gespeichert. Kosten, Platz und Energiemenge für den Betrieb der Serverfarmen werden irgendwann unwirtschaftliche Dimensionen erreicht haben.

Die Idee ist, künstliche DNA als Speichermedium zu nutzen, d.h. greifbare DNA soll eine Festplatte ersetzen. Hier entsteht eine attraktive Lösung für unser Speicherproblem. Die DNA punktet bei vielen wichtigen Kriterien, wie beispielsweise Platz, Energieverbrauch und Haltbarkeit. Das verdeutlicht eine Infografik auf nature.com.

Mit diesem Verfahren wäre es möglich, die kompletten Informationen aus dem Internet in DNA zu speichern, und es würde gerade einmal die Größe einer Schuhbox benötigen. Für alle Informationen und Daten dieser Welt würde nicht mehr als ein Standard-Wohnraum gebraucht werden, denn 215 Millionen Gigabyte passen auf gerade einmal ein Gramm DNA.

Der Vorteil von DNA ist nicht nur, dass es extrem kompakt ist, sondern dass sie zudem viele Jahrhunderte lang haltbar ist, wenn sie kalt gelagert wird. Die Dauer zur Erstellung der DNA und Rekonstruktion (Sequenzierung) der Information ist mit neuen Technologien inzwischen in kurzer Zeit möglich.

Auf dem Computer ist derzeit alles binär als Nullen oder Einsen gespeichert. Bei der Speicherung der Information als DNA würde dies in As, Ts, Cs und Gs (entsprechend der Basen) umgewandelt werden. Dieser Code wird dann in reeller DNA zusammengebaut. Dabei kann die Information jederzeit wieder rekonstruiert werden. Die DNA lässt sich sequenzieren. Somit bekommt man wieder den A-, T-, C- und G-Code, und die Daten können zu Nullen und Einsen übersetzt werden.

Preise müssen noch fallen

Seit etwa 2012 arbeiten Wissenschaftler an diesem Verfahren und konnten bereits Bücher und Filme in DNA kodieren. Knackpunkt für die Massentauglichkeit sind derzeit die hohen Produktionskosten. Diese liegen für die Synthese von zwei Megabyte noch bei etwa 7.000 US-Dollar und die Sequenzierung bei weiteren 2.000 US-Dollar. Forscher gehen aber davon aus, dass die Preise schnell fallen werden. Die Prognose ist, dass bereits in weniger als fünf Jahren sehr bedeutende und sensitive Daten möglicherweise als DNA gespeichert werden und in zehn bis 15 Jahren die DNA-Speichertechnologie für die breite Masse zugänglich ist.


Yvonne Awaloff

Yvonne Awaloff ist Beraterin im Bereich Künstliche Intelligenz von Sopra Steria Consulting. Die studierte Bioinformatikerin bloggt hier vor allem über Machine und Deep Learning.


Kommentare

  1. Interessanter Artikel, denn wir arbeiten auch bereits mit künstlicher DNA der http://www.detektei-schuett.de Wir haben diese Form zwar noch nicht als Speicher im Gebrauch, sondern nutzen diese als präventive Diebstahlschutzmaßnahme. Dadurch wird es uns ermöglicht unsere Produkte zu kennzeichnen mit einem absoluten individuellen Code, der auch vor Markenpiraterie schützt. Es ist schon erstaunlich wie die Zeit voranschreitet und was möglich ist. Die DNA dann als Speicher zu nutzen und die Reproduzierbarkeit dessen, katapultiert die Menschheit wieder einen Schritt weiter der Science Ficton.

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