In einer datengesteuerten Welt entstehen Zentren, die kostengünstig, schnell und effizient lagern können
DNA-Speichersystemklingt wie Science-Fiction. Aber solche Lösungen wurden bereits umgesetzt. Allerdings bisher hauptsächlich für Forschungszwecke und zur Speicherung von Archivdaten, die nicht oft verwendet werden müssen. Die wesentliche Einschränkung bei der Arbeit mit DNA ist die Schwierigkeit beim schnellen parallelen Zugriff auf eine große Anzahl von Dateien sowie Lese- und Schreibfehler.
Es hat sich ein internationales Forscherteam gebildetTechnologie, die bestehende Mängel beseitigen kann. Einer der Autoren der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie ist zuversichtlich, dass mit der vorgeschlagenen Lösung innerhalb von 5 bis 10 Jahren vollwertige Datenzentren auf DNA-Basis Realität werden werden.
DNA als Datenspeichersystem
Die Idee, DNA-Stränge zum Speichern von Daten zu verwendenseit Jahrzehnten diskutiert. Bereits 1988 kodierten Harvard-Forscher und Künstler Joe Davies ein 5 x 7 Pixel großes Bild einer alten germanischen Rune (insgesamt 35 Informationsbits) in die DNA eines E. coli-Bakteriums. Aber dieses Beispiel war nur eine Demonstration zukünftiger Möglichkeiten: Die Technologie war zu teuer und zu kompliziert.
Technisch ist die Speicherung von Daten in DNA möglich geworden,als 2011 Harvard-Forscher eine Technologie zur kontrollierten DNA-Synthese entwickelten. Weitere Forschungen auf diesem Gebiet haben die Kosten erheblich gesenkt und die Geschwindigkeit der Herstellung synthetischer DNA erhöht, die die gewünschten DNA-Sequenzen enthält.
Informationen in der DNA statt der üblichen 0 speichernund 1, die zur Kodierung von Daten dienen, können die Basenpaare „Adenin – Thymin“ und „Cytosin – Guanin“ verwendet werden. Im Labor werden die Basen in einer bestimmten Reihenfolge kombiniert, um synthetische DNA-Stränge zu bilden.
Vorteile von DNA
Das Speichern von Daten in DNA hat viele Vorteile.Beispielsweise nimmt eine DNA-Datei nicht viel Platz ein: Aufgrund der hohen Dichte des Moleküls ist jedes Nukleotid, das zwei Bits entspricht, etwa 1 nm³ groß. Und ein Exabyte an Daten (1.000.000 TB), die als DNA gespeichert sind, passen in Ihre Handfläche. DNA ist außerdem äußerst stabil – die Entdeckung eines erhaltenen genetischen Codes in den Fossilien antiker Mikroorganismen und Tiere ist ein Paradebeispiel dafür. Und außerdem erfordert diese Technologie keine nennenswerten Energiekosten.
Das Problem ist, dass bei FragenDa bestehende Lösungen zum Schreiben von Daten gut funktionieren (obwohl sie relativ teuer bleiben), treten beim Lesen Probleme auf. Das derzeit zum Auslesen verwendete PCR-Random-Access-Verfahren ist sehr fehleranfällig. Systeme können jeweils nur eine Datei lesen und die Qualität der Daten wird mit jedem Lesevorgang erheblich beeinträchtigt.
Der Lesevorgang funktioniert wie folgt:Jede Datendatei in der DNA enthält eine Sequenz, die an einen bestimmten Primer bindet. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) beginnen Forscher mit der Synthese von Millionen Kopien des gewünschten Fragments.
Das gleiche Prinzip funktioniert z.B.Test auf Coronavirus: Unter dem Einfluss eines bestimmten synthetischen Primers startet eine Kettenreaktion und schon eine kleine Menge Virus-DNA wird nachweisbar. Das Problem besteht darin, dass zum Lesen mehrerer separater Dateien mehrere Primer gleichzeitig arbeiten müssen, was zu vielen Fehlern beim Kopiervorgang und zur Zerstörung der ursprünglichen DNA führt.
Skalierbare Technologie
Ein internationales Forscherteam schlägt vorDie Methode, von der sie glauben, dass sie diese Einschränkungen überwinden kann, ist die hitzefixierte PCR. Wissenschaftler haben Mikrokapseln aus Proteinen und Polymeren geschaffen, die als separate DNA-Dateien fungieren. Jeder dieser Kapseln ist eine Datendatei zugeordnet. Darüber hinaus sind sie so konzipiert, dass beim Erhitzen mehrerer Mikrokapseln auf Temperaturen über 50 °C jede einzelne dieser Kapseln versiegelt wird.
Dadurch kann der PCR-Prozess gelesen werdentreten unabhängig voneinander in jeder Kapsel auf und lassen nur sehr wenig Spielraum für Fehler. Wenn sich die Temperatur normalisiert, bleibt die Originaldatei an der Kapsel hängen und die kopierten Dateien verlassen sie. Dadurch wird verhindert, dass die ursprünglichen Daten und die DNA beschädigt werden.
Genetiker nutzten ihren neuen Ansatz dazugleichzeitiges Lesen von 25 in der gespaltenen DNA gespeicherten Dateien. Die Ergebnisse waren positiv und unerwartet. Im Durchschnitt beträgt der Leseverlust bei Thermokapseln 0,3 % nach drei Lesevorgängen, verglichen mit 35 % bei der aktuellen Methode.
Mit fluoreszierenden Markierungen gefärbte Mikrokapseln. Bild: Tom de Greef
Die zweite „Innovation“ – mit Speziallackierunggetaggter Katalog. Jeder Datei ist eine fluoreszierende Markierung zugewiesen, und jeder Kapsel ist eine andere Farbe zugewiesen. Ein spezielles Gerät kann dann Farben erkennen und voneinander trennen, um das Sortieren und Durchsuchen von Informationen in einem großen Repository zu erleichtern.
Die Autoren der Technologie sind zuversichtlich, dass diese Innovationengenug, um ein vollwertiges DNA-basiertes Rechenzentrum zu schaffen. „In einem Teil des Gebäudes werden neue Dateien mittels DNA-Synthese kodiert. Das andere wird große Kapselfelder enthalten, jedes mit einer separaten Datei. Der Roboterarm wird die Kapsel herausnehmen, ihren Inhalt lesen und sie wieder einsetzen“, sagt einer der Autoren der Studie. Der Sinn ist gering: Warten, bis die Kosten der DNA-Synthese noch weiter gesenkt werden, und dafür reicht ein Jahrzehnt aus, da sind sich Wissenschaftler sicher.
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