Speichertechnik: US-Forscher bauen Suchmaschine für DNA-Speicher

DNA ist als Speicher sehr dauerhaft und hat vor allem eine extrem hohe Speicherdichte. Forscher in den USA wollen eine Bilddatenbank in DNA kodieren und eine Suchmaschine für den Speicher bauen. Die Netzgemeinde kann sich an dem Projekt beteiligen.

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DNA-Strang: Speichermedium der Zukunft?
DNA-Strang: Speichermedium der Zukunft? (Bild: Pixabay/CC0 1.0)

Unser Erbgut ist ein Datenspeicher. Darin lassen sich aber auch andere Informationen als Körpermerkmale speichern. Bilder zum Beispiel. Forscher in den USA sammeln gerade Fotos, die sie in DNA speichern und verarbeiten wollen.

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Forscher der Universität von Washington in Seattle, von Microsoft Research und dem Biotech-Unternehmen Twist Bioscience wollen Bilder in Strängen aus synthetischer Desoxyribonukleinsäure (DNA, von Englisch: Deoxyribonucleic Acid) kodieren und die Bilder dann in der DNA verarbeiten. Das Projekt wird von der Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa), der Wissenschaftsagentur des US-Verteidigungsministeriums, mitfinanziert.

Die Datenverarbeitung soll in der DNA stattfinden

"Angenommen, man hat eine Billion Bilder, die in DNA kodiert sind, und man will alle Fotos mit einem roten Auto finden oder herausfinden, ob das Gesicht einer Person auf einem dieser Bilder ist", sagt Luis Ceze, Informatiker an der Universität von Washington. "Wir wollen diese Datenverarbeitung direkt in der DNA durchführen können - intelligent suchen und die Moleküle dazu bringen, diese Maschinensehen-Aufgabe selbst durchzuführen."

Daten werden in einem DNA-Strang gespeichert, indem die Einsen und Nullen durch die vier Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) kodiert werden. Dabei bindet sich A an T und C an G. Diese Tatsache wollen sich die Forscher zunutze machen, um Bilder zu durchsuchen, die in einem DNA-Speicher abgelegt sind.

Merkmale werden in DNA kodiert

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Dazu wollen die Forscher zunächst Merkmale aus den Bildern extrahieren und diese in Stränge aus A, T, C und G übersetzen. Dabei kann ein einziges Foto von mehreren zehntausend DNA-Segmenten kodiert sein. In jedem ist ein bestimmtes Merkmal gespeichert: eine gerade oder eine geschwungene Linie, oder eben ein rotes Auto oder eine bestimmter Gesichtszug. Das gesuchte Merkmal wird dann in einem DNA-Strang kodiert, der komplementär zu dem ist, der das gesuchte Merkmal enthält. Dieser Suchstrang wird mit magnetischen Nanopartikeln ausgestattet.

Für die Suche kommen die Stränge, in denen die Bilder gespeichert sind, zusammen mit den Suchsträngen in eine Lösung. An die Suchstränge binden sich die komplementären Stränge mit dem gesuchten Merkmal, also die mit roten Autos oder einer bestimmten Person. Mit einem Magneten werden die Suchergebnisse aus der Lösung gefischt. Im letzten Schritt wandeln ein Sequenzer und spezielle Algorithmen die Ergebnisstränge in Bilder um.

Nutzer sollen Bilder für DNA-Speicher einreichen

Datenbasis für das Projekt sollen 10.000 Fotos sein. Um sie zu sammeln, haben die Forscher die Crowdsourcing-Kampagne #MemoriesInDNA initiiert: Auf der Webseite sollen Nutzer Fotos hochladen, die sie für besonders bewahrenswert halten. "Es ist an Euch, uns zu zeigen, was für immer in DNA aufbewahrt werden soll", sagt Ceze. "Wir wollen, dass die Menschen ein Bild von etwas machen, an das sich die Welt erinnern soll. Das ist eine schöne Gelegenheit, um gleichzeitig künftigen Generationen eine Botschaft zu schicken und unsere Forschung zu unterstützen."

DNA ist der Speicher des Erbguts aller Lebewesen auf der Erde. Der Speicher ist also seit Millionen von Jahren bewährt und sehr dauerhaft: Es ist möglich, die DNA von längst ausgestorbenen Tieren zu entziffern. Außerdem hat DNA eine sehr hohe Speicherdichte: Auf einen Kubikmillimeter DNA sollen eine Milliarde Gigabyte an Daten passen.

Ceze und seine Kollegen halten den Rekord für einen DNA-Speicher: Sie haben 100 Bücher aus dem Project Gutenberg, die Erklärung der Menschenrechte in über 100 Sprachen, die Samendatenbank des Projekts Crop Trust sowie das Video This Too Shall Pass der US-Band OK Go! in DNA-Strängen kodiert.

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