DNA-Molekül als digitaler Datenspeicher

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Die Speicherung und vor allem Archivierung großer Datenmengen spielt in der heutigen Zeit eine große Rolle. Es werden riesige Rechenzentren mit magnetischen Festplatten oder magnetischen Speicherbändern benötigt, die wenig energieffizient arbeiten und im Falle von Magnetbändern zudem regelmäßig neu beschrieben werden müssen, um die Daten über längerer Zeiträume zu konservieren. Eine mögliche Alternative zu herkömmlichen Magnet-Speichern könnte die Speicherung von Daten in DNA-Molekülen darstellen.

Zwar kann die Information, die innerhalb eines solchen DNA-Moleküls gespeichert ist weder überschrieben werden, noch kann ein einzelner Zugriff auf eine spezielle Information innerhalb des Moleküls erfolgen, dennoch bringt die Verwendung eines DNA-Moleküls einige entscheidende Vorteile mit sich – so zum Beispiel eine sehr hohe Datendichte. Diese ist dadurch bedingt, dass die Information auf atomarer Ebene innnerhalb einer Sequenz vierer verschiedener Basen im Molekül kodiert ist. Zum anderen bietet sich die Verwendung von DNA aufgrund ihrer langen Haltbarkeit an. Informationen, die einmal in einem DNA-Molekül gespeichert sind, bleiben bei ordnungsgemäßer Lagerung über Zeiträume von mehreren Jahrtausenden erhalten.

Einer Forschergrupper um Nick Goldmann am Europäischen Bioinformatik-Institut (EBI) gelang es nun erstmals, digitale Daten in einem DNA-Molekül zu speichern und anschließend wieder auszulesen. Hierzu verwendeten sie synthetisch erzeugte DNA.

Besonderes Augemerk bei der Kodierung der Daten im DNA-Molekül legten die Forscher auf die Vermeidung von Fehlern beim Lesen bzw. Schreiben der Information. Hierzu bot sich als einfache Lösung die Speicherung der Daten in einem Ternärsystem an, das anders als herkömmliche digitale Systeme nicht auf Bits mit den möglichen Zuständen 1 und 0, sondern auf sogenannten Trits mit den Zuständen 0, 1 und 2 basiert. Dieses System konnten die Forscher auf die vier im DNA-Molekül verwendbaren Basen übertragen, wobei je eine der drei zur Verfügung stehenden Basen für einen Zustand des Trits standen. Die vierte Base diente lediglich dazu, das Ende eines Trits zu markieren. Eine weitere Maßnahme zur Vermeidung von Schreibfehlern war die Speicherung der jeweils letzten 75 Prozent eines Strings, also eines Datenpakets, in den nachfolgenden String.

Auf diese Weise speicherten die Forscher fünf Dateien, die sie zuvor mit dem Huffman-Algorithmus vom Binär- in das Ternärsystem konvertiert hatten, in insgesamt 150.000 Datenstrings, die jeweils mithilfe von 117 DNA-Basen kodiert waren. Bei den Daten handelte es sich unter anderem um ein übliches PDF-Dokument und um eine 30 Sekunden lange MP3-Datei.
Die Synthese des DNA-Moleküls erfolgte mithilfe einer Art Tintenstrahldrucker, welcher die jeweiligen Basen auf einen Träger druckte.

Die DNA-Sequenz konnte anschließend in Form eines Pulvers bei Raumtemperatur und ohne spezielle Verpackung verschickt werden. Im Hauptquartier des EMBL in Heidelberg wurde die DNA anschließend mithilfe herkömmlicher Laborausrüstung auf einen Computer dekodiert. Von den fünf Dateien waren vier Stück lesbar und unversehrt, lediglich eine der Dateien musste repariert werden.

Die Überlegenheit dieser Form der Speicherung von Daten demonstrieren die Forscher in einer Beispielrechnung. So sei es aufgrund der hohen Datendichte möglich, eine Datenmenge mit einer Größe von zwei Petabyte in einem einzelnen Gramm DNA zu speichern. Rechnet man diesen Wert hoch, so könnten in einer normalen Kaffeetasse voller DNA etwa 100 Millionen Stunden HD-Videomaterial gespeichert werden.

Derzeit sei das Verfahren für einen Einsatz im großen Stil allerdings noch nicht wirtschaftlich genug. Die Forscher sind jedoch davon überzeugt, dass die Kosten für die Synsthese von DNA innerhalb der nächsten Jahre um den Faktor 100 sinken könnten, was einen kostengünstigen Einsatz der neuen Technologie ermöglichen würde.

Quelle: physicsworld.com

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1 Kommentar zu "DNA-Molekül als digitaler Datenspeicher"

  • Lukas Bommes sagt:

    Hinweis: Dieser Artikel (s.Veröffentlichung) wurde durch die PC Games Hardware Redaktion als bester Artikel des Monats Februar ausgezeichnet.