Im Jahr 2024 wurden mindestens 149 Zettabyte an Daten erstellt, erfasst, kopiert oder konsumiert, eine Zahl, die sich bis 2028 mehr als verdoppeln soll, so Statista.
Um das exponentielle Wachstum der Informationen zu bewältigen, sind Wissenschaftler weltweit auf der Suche nach effektiveren und nachhaltigeren Speicherlösungen.
Eine vielversprechende Idee kommt aus der Biologie: die Verwendung von DNA, dem Molekül, das die genetischen Anweisungen für alle Lebewesen trägt, als Modell zur Entwicklung revolutionärer Speichertechnologien.
Eine aktuelle Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature, stellte einen neuartigen Ansatz vor, der auf Epigenetik basiert und verspricht, Informationen schneller, kostengünstiger und stabiler zu speichern als traditionelle Methoden.
DNA ist bekannt für ihre immense Fähigkeit, Daten kompakt und langlebig zu speichern: Ein Gramm dieser Moleküle kann bis zu eine Billion Gigabyte an Informationen enthalten, die bei geeigneten Bedingungen über Tausende von Jahren intakt bleiben.
Das Konzept, DNA als digitales Archiv zu verwenden, wurde erstmals in den 1950er Jahren vom Physiker Richard Feynman vorgeschlagen.
Jahrzehnte später, im Jahr 2012, gelang es dem Team des Genetikers George Church an der Harvard-Universität, ein Buch mit 53.400 Wörtern in DNA zu kodieren, was die Durchführbarkeit des Konzepts nachwies.
Die verwendete Methode, die als De-novo-Synthese bekannt ist, fügt Nukleotide—die Buchstaben der DNA: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C)—einzeln hinzu, um Sequenzen zu erstellen, die binäre Daten (0s und 1s) darstellen.
Dieser Prozess ist teuer, zeitaufwendig und fehleranfällig, was seine Anwendung im großen Maßstab einschränkt: Nur 1 Bit (oder ein Achtel eines Bytes) kann pro Nukleotid zur Sequenz hinzugefügt werden.
Es ist wichtig zu betonen, dass die Technologie nicht die DNA einer Person zum Speichern verwendet, sondern Laborprodukte, die ausschließlich für diesen Zweck entwickelt wurden.
Um die Einschränkungen der De-novo-Synthese zu überwinden, entwickelte ein Forschungsteam aus China, Deutschland und den Vereinigten Staaten eine innovative Methode, die Epigenetik nutzt, den Bereich der Wissenschaft, der chemische Modifikationen der DNA untersucht, die ihre Sequenz nicht verändern, aber ihre Funktionalität beeinflussen.
Das von den Wissenschaftlern geschaffene System zeichnet Daten durch einen Prozess auf, der als Methylierung bekannt ist—die Hinzufügung kleiner chemischer Gruppen, die Methyl genannt werden, zu bestimmten Nukleotiden der DNA. Diese Änderungen, bekannt als Epi-Bits, repräsentieren die 0s und 1s des Binärcodes.
Die Forscher verwendeten universelle DNA-Vorlagen und komplementäre Fragmente, die als mobile Typen bezeichnet werden—die wie typografische Teile funktionieren, die in die Vorlagen passen und ein präzises Aufzeichnen der Daten ermöglichen.
Das Enzym DNMT1, das natürlicherweise die Methylierung in lebenden Organismen durchführt, wurde angepasst, um die Methylierungsmuster programmatisch zu drucken und DNA in eine Art 'Datensatz' zu verwandeln.
In Experimenten konnten die Wissenschaftler etwa 350 Bits pro Reaktion aufzeichnen—eine signifikante Steigerung im Vergleich zu dem einzelnen Bit der De-novo-Synthesetechnik.
Darüber hinaus kann diese Technologie Daten parallel aufzeichnen, was bedeutet, dass mehrere Punkte der DNA gleichzeitig modifiziert werden können, im Gegensatz zur traditionellen Methode, die Daten sequenziell aufzeichnet und den Prozess langsamer macht.
Die Daten wurden mit hoher Präzision durch Nanopore-Sequenzierung abgerufen, einer Technologie, die in der Lage ist, chemische Veränderungen in der DNA zu erkennen und Methylierungsmuster in digitale Informationen zu übersetzen.
Zusätzlich demonstrierten die Wissenschaftler, dass die Epi-Bits selbst unter widrigen Bedingungen, wie Hitze, stabil blieben.
In einem Test namens iDNAdrive verwendeten 60 Freiwillige ohne Laborerfahrung erfolgreich das System, um Daten aufzuzeichnen, was beweist, dass die Technik zugänglich ist und in dezentralen Umgebungen angewendet werden kann.
Trotz der Fortschritte bestehen noch Barrieren für die breite Akzeptanz der auf Epigenetik basierenden Technologie.
Eine Herausforderung besteht darin, die Algorithmen zu verbessern, die die Methylierungsmuster erkennen, um die Genauigkeit und Effizienz des Prozesses zu erhöhen. Ein weiterer Punkt ist die anfängliche Kosten der erforderlichen Geräte, wie die Nanopore-Sequenzierungsplattformen, die immer noch teuer sind.
Dennoch sind die Ergebnisse der Studie vielversprechend und deuten auf eine Zukunft hin, in der DNA den wachsenden globalen Datenanforderungen gerecht werden kann, mit skalierbarem Potenzial für großangelegte Anwendungen.