Wie könnte das gesamte Internet in einen Zuckerwürfel passen?
Die Menge der von der Menschheit erzeugten Daten wächst exponentiell, doch der physische Platz zu ihrer Speicherung wächst bei Weitem nicht so schnell mit. Festplatten, Bandkassetten und magnetische Archive benötigen Platz und verschleißen oft schon nach wenigen Jahrzehnten, bis die Daten unlesbar werden. Forscher richten ihren Blick daher seit Jahren auf das eigene Speichersystem der Natur: die DNA. Sie trägt noch immer lesbare genetische Informationen von Organismen, die vor Jahrmillionen lebten, und das auf erstaunlich kleinem Raum. Nach Schätzungen von Forschern könnte ein einziges Gramm DNA theoretisch etwa ein Zettabyte an Daten speichern – nahezu das gesamte Internet. Das macht DNA zu einem der ernsthaftesten Kandidaten für zukünftige "Kaltspeicher"-Bedürfnisse.
Warum wird jetzt darüber gesprochen?
Der Reiz liegt nicht nur in der Dichte. Rechenzentren verbrauchen enorme Mengen an Strom und benötigen ständige Kühlung, während DNA-Moleküle bei Zimmertemperatur, im Dunkeln und in trockener Umgebung Jahrtausende unversehrt bleiben können. Das macht DNA sowohl zu einem dichten als auch zu einem nachhaltigen Speicherkandidaten. Während Festplattenformate innerhalb weniger Jahrzehnte veralten und unlesbar werden, wird die Technologie zum Auslesen von DNA wohl so lange existieren wie die Biologie selbst.
Wie werden Zahlen zu Molekülen?
Vom Binärcode zu vier Buchstaben
Computer arbeiten mit einem binären System aus nur 0 und 1. DNA hingegen besteht aus vier Bausteinen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Forscher, die Daten in DNA speichern wollen, wandeln zunächst eine digitale Datei in Binärcode um und übersetzen diese Sequenz dann mit speziellen Algorithmen in eine Kette aus den Buchstaben A, C, G und T. Diese Umwandlung erfolgt nicht willkürlich; es wird darauf geachtet, dass sich derselbe Baustein nicht zu oft wiederholt, die Sequenz chemisch stabil bleibt und zusätzliche Redundanzinformationen gegen mögliche Lesefehler eingebaut werden. Die entstandene Buchstabenfolge ist letztlich eine molekulare Übersetzung eines Fotos, eines Textes oder einer Software.
Von der Synthese zur Speicherung
Die entworfene Sequenz wird mit Geräten, den sogenannten DNA-Synthesizern, in echte DNA-Moleküle umgewandelt. Dieser als "Schreiben" bezeichnete Vorgang ist heute der langsamste und teuerste Schritt. Die synthetisierten DNA-Fragmente können in kleinen Röhrchen, getrocknet oder in Flüssigkeit, aufbewahrt werden. Soll auf die Daten wieder zugegriffen werden, werden die Moleküle mittels DNA-Sequenzierung "ausgelesen", die entstehende Buchstabenfolge zurück in Binärcode übersetzt und die ursprüngliche Datei wiederhergestellt. Teams, die die Dichte erhöhen wollen, entwickeln zudem "Random-Access"-Verfahren, mit denen sich aus einem Gemisch von Millionen von Dateien mithilfe chemischer Markierungen gezielt nur die Moleküle einer bestimmten Datei herausfiltern lassen – vergleichbar damit, ein einzelnes Buch aus einem Regal zu ziehen, ohne die ganze Bibliothek durcheinanderzubringen.
Woher kommt diese Dichte?
Eine herkömmliche Festplatte ordnet Daten im Wesentlichen zweidimensional auf einer magnetischen Oberfläche an. DNA hingegen ist ein dreidimensionales Molekül und kann daher im gleichen Volumen wesentlich mehr Informationen unterbringen. Zudem kann jede DNA-Base weit mehr Information tragen als ein klassisches Computerbit, da sie vier statt nur zwei Zustände (A, C, G, T) annehmen kann. Zusammen verringern diese beiden Faktoren den für dieselbe Datenmenge benötigten physischen Platz um ein Vielfaches. Forscher nennen oft folgendes Beispiel: Würde man alle heute weltweit erzeugten digitalen Daten in DNA speichern, würde diese Menge nicht einmal einen Lkw füllen, sondern in eine Handfläche passen.
Welche Hindernisse gibt es noch?
Das Geschwindigkeitsproblem
Der größte Nachteil der DNA-Speicherung ist nach wie vor die Geschwindigkeit. Eine Datei, die in Sekunden auf eine Festplatte geschrieben werden könnte, kann beim "Schreiben" in DNA Stunden oder sogar Tage dauern, da die DNA-Synthese ein chemischer Prozess ist, bei dem jede Base Schritt für Schritt hinzugefügt wird. Forschungslabore versuchen, die Schreibgeschwindigkeit zu erhöhen, indem sie auf elektrochemischen Chips Tausende Syntheseorte gleichzeitig betreiben – dennoch bleibt man weit hinter der Geschwindigkeit magnetischer oder Solid-State-Speicher zurück.
Die Kostenmauer
Die Herstellung synthetischer DNA war lange Zeit sehr teuer; das Schreiben eines einzigen Megabytes in DNA kostet ein Vielfaches dessen, was das Schreiben auf eine Festplatte kostet. Allerdings sind die Kosten für die DNA-Sequenzierung dank Genomprojekten in den letzten zwanzig Jahren drastisch gesunken, und ein ähnlicher Rückgang wird auch auf der Synthese-Seite erwartet. Unternehmen und Universitäten versuchen, die Kosten zu senken, indem sie DNA nicht mehr tropfenweise, sondern in großen Mengen auf Halbleiterchips herstellen.
Fehlerresistenz
DNA-Moleküle reagieren empfindlich auf chemische Reaktionen, und bei Synthese oder Auslesen können einzelne Buchstaben fehlerhaft werden. Deshalb wird vor dem Schreiben zusätzliche Redundanzinformation eingebaut – ähnlich den Fehlerkorrekturcodes beim Versenden von Dateien über das Internet –, sodass die ursprüngliche Datei auch bei Fehlern in einigen Basen fehlerfrei wiederhergestellt werden kann.
Wer arbeitet an diesem Thema?
Microsoft Research und die University of Washington arbeiten seit Jahren gemeinsam daran, die DNA-Speicherung vom Labor in ein reales System zu überführen, und ihre Teams stellten einige der ersten vollautomatisierten End-to-End-DNA-Speichersysteme vor. Verschiedene Universitäten und Biotechnologieunternehmen konzentrieren sich zudem darauf, die Synthesegeschwindigkeit zu erhöhen, die Kosten zu senken und den Random Access praxistauglich zu machen. Manche Teams nutzen DNA nicht nur zur Dateispeicherung, sondern auch zur langfristigen Bewahrung von Kunstwerken und ganzen Sprachenarchiven. Diese Arbeiten zeigen, dass DNA-Speicherung längst keine Science-Fiction mehr ist, sondern ein ernstzunehmendes technisches Ziel.
Was ist in den kommenden Jahren zu erwarten?
Experten erwarten, dass DNA-Speicherung zunächst für die archivarische "Kaltspeicherung" eingesetzt wird – also für Daten, auf die selten zugegriffen wird, die aber sehr lange aufbewahrt werden müssen. Satellitenbilder, medizinische Aufzeichnungen, staatliche Archive und wissenschaftliche Datensätze zählen zu den ersten Anwendungsfeldern. Verbesserungen bei Schreib- und Lesegeschwindigkeit könnten DNA-Speicherung mit der Zeit auf breitere Anwendungsfälle ausweiten; dennoch wird nicht erwartet, dass sie klassische Festplatten oder Cloud-Speicher vollständig ersetzt, sondern vielmehr eine von mehreren Speicherebenen wird, je nach Lebensdauer und Zugriffshäufigkeit der Daten. Kurz gesagt: Das Gedächtnis unserer digitalen Zivilisation könnte eines Tages tatsächlich in der eigenen Codesprache des Lebens gespeichert sein.