Speichertechnik: Forscher erweitern DNA-Speicher um sieben neue Basen

Mit mehr Buchstaben lassen sich mehr Informationen abspeichern.

Artikel veröffentlicht am 4. März 2022, 11:57 Uhr, Werner Pluta

DNA-Strang: Speicherbedarf von knapp 9 Zettabyte im Jahr 2024 (Bild: Pixabay/CC0 1.0)

Mehr Buchstaben, mehr Möglichkeiten: Ein Team von Forschern in den USA hat die DNA erweitert, um mehr Daten speichern zu können.

Desoxyribonukleinsäure (DNS, Englisch: Desoxyribonucleic Acid, kurz DNA) ist der Speicher des Erbguts aller Lebewesen auf der Erde. Seit einigen Jahren gibt es Versuche, unter anderem von Microsoft, künstlich hergestellte DNA als Datenspeicher zu nutzen.

Daten werden in einem DNA-Strang gespeichert, indem die Nullen und Einsen der digitalen Daten in Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) umgewandelt werden - das sind die Basen, aus denen DNA besteht. Ein Team der University of Illinois Urbana-Champaign erweiterte die künstliche DNA. Es beschreibt das Verfahren in der Fachzeitschrift Nano Letters.

Wenige Buchstaben ergeben wenige Wörter

Das Team fügte sieben synthetische Basen zu den bestehenden vier hinzu und erweiterte so die ohnehin schon große Speicherkapazität noch einmal deutlich. Team-Mitglied Kasra Tabatabaei verglich dies mit dem Alphabet: Mit einem, das nur vier Buchstaben erfasse, lasse sich nur eine begrenzte Anzahl an Wörter formen.

"Hat man das gesamte Alphabet, kann man unendlich viele Wortkombinationen bilden", sagte er. "So ist es auch mit der DNA. Anstatt Nullen und Einsen in A, G, C und T umzuwandeln, können wir Nullen und Einsen in A, G, C, T und die sieben neuen Buchstaben des Speicheralphabets umwandeln."

Das Problem ist allerdings, dass die derzeit existierenden DNA-Speicher-Systeme die sieben neuen Basen nicht erkennen. Deshalb entwickelte das Team gleich noch eine neue Methode zum Auslesen von DNA-Sequenzen.

Das Auslesen wird mit Hilfe einer Nanopore durchgeführt, einem Protein mit einer Öffnung in der Mitte, durch die ein DNA-Strang hindurchpasst. Das Protein erkennt alle Basen, künstliche wie natürliche. Machine-Learning-Algorithmen entschlüsseln die darin gespeicherten Informationen.

Das Verfahren kann verallgemeinert werden

"Wir haben 77 verschiedene Kombinationen der 11 Nukleotide ausprobiert, und unsere Methode war in der Lage, jede von ihnen perfekt zu unterscheiden", sagte Team-Mitglied Chao Pan. "Das Deep-Learning-Framework, das Teil unseres Verfahrens zur Identifizierung verschiedener Nukleotide ist, ist allgemeingültig, was es ermöglicht, unseren Ansatz für viele andere Anwendungen zu verallgemeinern."

Ein Vorteil von DNA als Datenspeicher ist die hohe Speicherdichte. Auf einen Kubikmillimeter DNA sollen eine Milliarde Gigabyte an Daten passen. Das gesamte Internet könnte sich in einem Speicher von der Größe eines Schuhkartons ablegen lassen. Für das Jahr 2024 sagt die International Data Corporation einen Speicherbedarf von knapp 9 Zettabyte voraus. Ein DNA-Speicher mit einer solchen Kapazität hätte laut Microsoft Research die Größe eines kleinen Kühlschranks.

DNA überdauert Millionen von Jahren

DNA-Speicher hat aber nicht nur eine hohe Speicherdichte. Ein weiterer Vorteil ist die Dauerhaftigkeit: Der Speicher ist nicht nur seit Millionen von Jahren bewährt. Es ist heute noch möglich, die DNA von längst ausgestorbenen Tieren zu entziffern.

Microsoft forscht seit einigen Jahren an Speichern aus künstlich hergestellter DNA. 2016 gelang es, 200 MByte an Daten in DNA zu speichern. 2019 war es schon die englische Wikipedia, immerhin 16 TByte. 2020 speicherte Netflix die erste Folge der Serie Biohackers in DNA und verschickte 200 Exemplare als Werbung.