In der DNA festgeschrieben

Laut Finances Online wurden bis Ende 2022 94 Zettabyte an Daten erstellt und verbraucht. Wenn die Datenerzeugung mit dieser Geschwindigkeit fortschreitet, ist absehbar, dass aktuelle Speicherlösungen nicht genügend Kapazität haben, um diese Menge an Informationen zu verarbeiten.

Da alte Datenspeichersysteme langsam an ihre Grenzen stoßen, müssen alternative Technologien entwickelt werden. Eine Reihe von Unternehmen, etwa Microsoft und Twist Bioscience, sind der Auffassung, dass die Antwort in unserer DNA liegen könnte.

Die Speicherung von Daten in DNA würde eine Datenspeicherung auf molekularer Ebene in synthetischen DNA-Molekülen ermöglichen und biotechnologische Fortschritten nutzen, um Lösungen für die archivarische Speicherung zu entwickeln. Anstelle von Nullen und Einsen werden zur Codierung von Daten nun die Nukleinbasen (DNA-„Einzelbausteine“) namens Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin (A, T, C, G) verwendet, aus denen langkettige Nukleotide (DNA-„Baugruppen“) entstehen, wodurch DNA in eine neue Technologie zur Datenspeicherung verwandelt wird.

DNA verfügt über die Kapazität, große Datenmengen mit einer viel höheren Dichte als die aktueller elektronischer Geräte zu speichern. Laut Berechnungen, die George Church 2016 in seinem Buch „Nature Materials“ veröffentlichte, hat die DNA eines einfachen Bakteriums wie E. coli eine Speicherdichte von etwa 10 hoch 19 Bits pro Kubikzentimeter. Das bedeutet, dass ein einziges Bakterium alle weltweit innerhalb eines ganzen Jahres generierten Daten speichern könnte.

Theoretisch ist die Speicherung von Daten in DNA kein neues Konzept. Da jedoch die Kosten für die DNA-Sequenzierung (die Bestimmung der Abfolge der Bausteine in einem DNA-Molekül) immer weiter sinken, hat diese neue Speichertechnologie das Potenzial, sich von einer Sci-Fi-Fantasie in eine reale Anwendung zu verwandeln. 

Alles liegt in den Genen

Die potenzielle Anwendung der DNA-Datenspeicherung bietet viele Vorteile. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung von DNA im Vergleich zur aktuellen Speichertechnologie ein hohes Verhältnis von Speicherdichte zu Volumen. Die im Handel erhältlichen Laufwerke mit der höchsten Speicherkapazität sind jene der Serie Nimbus Data Exadrive© DC. Mit einer Kapazität von 100 TB bietet dieses SSD-Laufwerk eine Platzersparnis im Verhältnis von sechs zu eins, doch 2012 stellte ein erfolgreiches Experiment zur Speicherung von Daten in DNA den Rekord für das Speichermedium mit der höchsten Speicherdichte auf.   

Die Verwendung von DNA als Speichermedium ermöglicht das Speichern von Daten mit geringem Energieaufwand. Im Gegensatz zu aktuellen Methoden, die zum Funktionieren Elektrizität benötigen, kann DNA für 500.000 Jahre in fossilisierter Form gespeichert werden. Dies ist möglich aufgrund der unglaublichen Stabilität von DNA-Molekülen und macht sie zu einer äußerst langlebigen und präzisen Möglichkeit, Daten zu speichern und zu archivieren. 

Die Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation ermöglichen das einfache und gleichzeitige Lesen von Milliarden von Sequenzen. Diese Technologie ist jedoch noch weit davon entfernt, kommerziell genutzt zu werden.

Herausforderungen bei der Datenspeicherung in DNA

Die derzeitigen Kosten und die Geschwindigkeit, mit der DNA geschrieben und gelesen werden kann, bremsen die Technologie allerdings aus. Da die Kosten für die billigste Sequenzierung eines menschlichen Gesamtgenoms bei etwa 600 Dollar bzw. 450 Pfund liegen und der Rekord für die Sequenzierung des menschlichen Genoms bei etwa fünf Stunden liegt, ist die Technologie noch weit von einer kommerziellen Nutzung entfernt. 

Für Technologien wie die Cloud mag die DNA-Datenspeicherung zwar in Hinblick auf das Verteilen und Abrufen von Daten keine Konkurrenz darstellen, doch sie hat das Potenzial, als Archivspeicher zu dienen. Trotz der Einschränkungen bei der Anwendung in der Werkshalle könnte diese Technologie Hersteller dabei unterstützen, sensible Informationen wie Finanzdaten, Informationen zur Produktgarantie und andere wichtige Dokumente auf dauerhafte und stabile Art in einem hochdichten Medium zu speichern.

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