DNA-Chips: Die Milliardengigabyte-Speicherlösung von morgen

Forscher haben sich auf das Potenzial von DNA als Datenspeichermedium konzentriert, aufgrund ihrer Fähigkeit, große Mengen an Informationen auf kleinstem Raum zu speichern.

In Form von DNA zeigt die Natur, wie Daten platzsparend und langfristig gespeichert werden können. Der Lehrstuhl für Bioinformatik in Würzburg entwickelt DNA-Chips für Computertechnologie.

Das erbliche Molekül DNA ist bekannt für seine Fähigkeit, große Mengen an Informationen über lange Zeiträume in einem unglaublich kleinen Raum zu speichern. Seit gut zehn Jahren verfolgen Wissenschaftler daher das Ziel, DNA-Chips für die Computertechnologie zu entwickeln, insbesondere für die langfristige Archivierung von Daten. Solche Chips wären konventionellen Silizium-Chips in Bezug auf Speicherdichte, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit überlegen.

In einer DNA-Strang finden sich vier wiederkehrende Grundbausteine. Eine spezifische Abfolge dieser Bausteine kann verwendet werden, um Informationen zu codieren, genau wie es die Natur tut. Um einen DNA-Chip zu bauen, muss die entsprechend codierte DNA synthetisiert und stabilisiert werden. Wenn dies gut funktioniert, bleibt die Information sehr lange erhalten - Forscher nehmen an, mehrere tausend Jahre. Die Information kann durch automatisches Auslesen und Decodieren der Abfolge der vier Grundbausteine abgerufen werden.

Informationen können in Form von DNA auf Chips aus halbleitendem Nanocellulose gespeichert werden. Lichtgesteuerte Proteine lesen die Information aus. Credit: Lehrstuhl für Bioinformatik / Universität Würzburg

"Die Tatsache, dass digitale DNA-Datenspeicherung mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer möglich ist, wurde in den letzten Jahren mehrfach nachgewiesen", sagt Professor Thomas Dandekar, Leiter des Lehrstuhls für Bioinformatik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. "Die Speicherkosten sind jedoch hoch, fast 400.000 US-Dollar pro Megabyte, und die Informationen, die in der DNA gespeichert sind, können nur langsam abgerufen werden. Es dauert Stunden bis Tage, je nach Datenmenge".

Diese Herausforderungen müssen überwunden werden, um die DNA-Datenspeicherung anwendbarer und vermarktungsfähig zu machen. Geeignete Werkzeuge dafür sind lichtgesteuerte Enzyme und Software zur Gestaltung von Proteinnetzwerken. Thomas Dandekar und seine Mitarbeiter Aman Akash und Elena Bencurova diskutieren dies in einer aktuellen Übersichtsarbeit im Fachjournal Trends in Biotechnology.

Dandekars Team ist davon überzeugt, dass DNA eine Zukunft als Datenspeicher hat. In der Fachzeitschrift zeigen die JMU-Forscher, wie eine Kombination aus Molekularbiologie, Nanotechnologie, neuartigen Polymeren, Elektronik und Automation in Verbindung mit systematischer Entwicklung in einigen Jahren eine nützliche Nutzung von DNA-Datenspeicherung im Alltag ermöglichen könnte.

Am Biocenter der JMU entwickelt Dandekars Team DNA-Chips aus halbleitendem, bakteriell produziertem Nanocellulose. "Mit unserem Konzept können wir zeigen, wie aktuelle Elektronik- und Computertechnologie teilweise durch molekularbiologische Komponenten ersetzt werden kann", sagt der Professor. Auf diese Weise könnte Nachhaltigkeit, vollständige Recyclingfähigkeit und hohe Robustheit gegenüber elektromagnetischen Impulsen oder Stromausfällen erreicht werden, aber auch eine hohe Speicherdichte von bis zu einer Milliarde Gigabyte pro Gramm DNA.

Thomas Dandekar stuft die Entwicklung von DNA-Chips als äußerst relevant ein: "Wir werden langfristig nur als Zivilisation bestehen, wenn wir den Sprung in diese neue Art nachhaltiger Computertechnologie schaffen, die Molekularbiologie mit Elektronik und neuer Polymer-Technologie kombiniert".

Wichtig für die Menschheit sei es, so betont er, zu einer Kreislaufwirtschaft im Einklang mit planetaren Grenzen und der Umwelt überzugehen. "Wir müssen dies in 20 bis 30 Jahren erreichen. Die Chip-Technologie ist ein wichtiges Beispiel dafür, aber die nachhaltigen Technologien zur Herstellung von Chips ohne Elektroschrott und Umweltverschmutzung sind noch nicht ausgereift. Unser Nanocellulose-Chip-Konzept leistet hierzu einen wertvollen Beitrag. In dem neuen Artikel haben wir unser Konzept kritisch untersucht und mit aktuellen Innovationen aus der Forschung weiterentwickelt."

Dandekars Team arbeitet derzeit daran, die DNA-Chips aus halbleitendem Nanocellulose noch besser mit den von ihnen entwickelten Designer-Enzymen zu kombinieren. Auch die Enzyme müssen weiter verbessert werden.

"Auf diese Weise wollen wir eine immer bessere Kontrolle des DNA-Speichermediums erreichen und noch mehr darauf speichern können, aber auch Kosten sparen und so nach und nach eine praktische Nutzung als Speichermedium im Alltag ermöglichen."

Referenz: "How to make DNA data storage more applicable" von Aman Akash, Elena Bencurova und Thomas Dandekar, 15. August 2023, Trends in Biotechnology. DOI: 10.1016/j.tibtech.2023.07.006

The work described is financially supported by the German Research Foundation (DFG) and the Free State of Bavaria. Important cooperation partners are Sergey Shityakov, professor at the State University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO) in Saint Petersburg, Daniel Lopez, PhD, from the Universidad Autonoma de Madrid, and Dr. Günter Roth, University of Freiburg and BioCopy GmbH (Emmendingen).