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DNA-Datenspeicher

Nachdem das 20. Jahrhundert als das der Festkörperphysik mit ihren revolutionären Auswirkungen auf die Hardware von Informations- und Kommunikationssystemen galt, spricht man im Fall des 21. Jahrhunderts auch vom Jahrhundert der Lebenswissenschaften bzw. der Biologie. Auch dieser werden weitestreichende Auswirkungen auf unser tägliches Leben vorausgesagt, vom biotechnologisch erzeugten Kraftstoff über gentechnisch basierte Fortschritte z. B. in der Medizin bis hin zu neuartigen Systemen der Informations- und Kommunikationstechnik. In letzteren Bereich gehören die Bemühungen um die Realisierung von technischen Datenspeichern auf Basis der Desoxyribonukleinsäure (DNS bzw. englisch DNA), die in allen Lebewesen der Träger der Erbinformationen ist. Hier hat es in letzter Zeit bemerkenswerte Entwicklungsfortschritte gegeben. Vielleicht schon mittelfristig verspricht man sich davon die Nutzbarmachung von Informationsträgern mit höchsten Speicherdichten und besonders großen Alterungsbeständigkeiten.

Konventionelle Datenspeicher basieren typischerweise auf der Änderung physikalischer Eigenschaften von Werkstoffen. In Magnetbändern oder Festplattenlaufwerken sind dies magnetische, in DVDs oder Blu-Ray Disks optische und in normalerweise auf sog. flash-memorys basierenden USB-Sticks oder Festkörperspeichern (Solid-State-Drive, SSD) elektrische Eigenschaften.

Im Fall der DNA sind die Informationen in der Molekülstruktur gespeichert und hier in der Abfolge der vier organischen Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin (oft abgekürzt mit A, T, G und C). Die wesentlichen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen der allgemeinen Gentechnik richten sich auf die Schaffung technischer Möglichkeiten zur Entschlüsselung und schließlich Manipulation der hier abgelegten Codes. Sowohl bei der DNA-Sequenzie­rung, also quasi beim Auslesen der Informationen, als auch beim sog. Genome Editing, also dem zielgerichteten Verändern der DNA, konnten inzwischen enorme Fortschritte gemacht werden. Zur Nutzung der DNA als technischer Datenspeicher geht es nun im Prinzip lediglich noch darum, einen binären Code aus Nullen und Einsen, wie er in jedem konventionellen Speichermedium abgelegt werden würde, umzusetzen in eine geeignete Abfolge der Nukleotide A, C, G und T und aus dieser Vorlage künstliche DNA herzustellen. Der so geschaffene Datenspeicher kann dann mit Standard-Gensequenzier­maschi­nen wieder entziffert und schließlich mit dem eingangs genutzten Kodierungsverfahren wieder in die binären Ausgangsdaten zurückübersetzt werden. Die DNA-Speicher­technik profitiert damit direkt von den Entwicklungen der allgemeinen Gentechnik.

Gegenwärtige Speichermedien haben allenfalls Alterungsbeständigkeiten von wenigen Jahrzehnten, und auch das nur, wenn die sich weiterentwickelnde Informationstechnik dauerhaft Schnittstellen (und die nötige Software) für ihre Nutzung bereitstellt. Der molekulare Speicher DNA dagegen ist bei geeigneter Lagerung (kühl und lichtgeschützt) nahezu beliebig lange haltbar, wie z. B. die erfolgreiche Untersuchung der DNA in Neandertalerknochen gezeigt hat. Außerdem ist nicht damit zu rechnen, dass die Menschheit irgendwann das Interesse an das Erbgut betreffenden Fragen verliert. So ist gewährleistet, dass es immer passende Lesegeräte für DNA-Datenspeicher geben wird. Auch bezüglich der Speicherdichte sind DNA-Datenspeicher ihren konventionellen Konkurrenten weit überlegen. So ist es im Prinzip möglich, in einem Kubikmillimeter DNA 1018 Bytes an Daten zu speichern (1 Million Terabyte (TB)). Damit werden die besten konventionellen Speicher um mindestens den Faktor 106 übertroffen.

Dem großtechnischen Einsatz von DNA-Datenspeichern stehen allerdings auch einige mehr oder weniger entscheidende Probleme entgegen. Im Vergleich mit konventionellen Speichermedien sind die Verfahrensschritte aufwendig und teuer, schwierig zu automatisieren und nur schwer in praktikabel nutzbare mobile Systeme einzubinden. Deshalb sind sie vor allem für die stationäre Archivierung größter Datenmengen über lange Zeiträume hinweg geeignet. Aus technischer Sicht sollten sie hier bereits mittelfristig praktikabel einsetzbar sein.

Jürgen Kohlhoff

 

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