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24.07.2017 | Informationsmanagement | Im Fokus | Onlineartikel

Kleine Bakterien als große Datenspeicher

Autor:
Sven Eisenkrämer
3:30 Min. Lesedauer

Werden die Datenspeicher der Zukunft aus DNA-Molekülen bestehen? Zumindest für die Langzeitaufbewahrung von großen Mengen digitaler Informationen könnte sich das Erbgut von Lebewesen eignen. Forscher können bereits kleine Filme auf Bakterien speichern.

Bakterien können als Speicher für digitale Daten dienen. Das haben Forscher mehrfach schon bewiesen, zuletzt an der Harvard Medical School in Boston im US-Bundeststaat Massachusetts. Die Biotechnik- und Genforscher haben es geschafft, die Daten eines kleinen, digitalen Films ins Erbgut eines lebenden Bakteriums einzuarbeiten – und es danach wieder auszulesen. Seth Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey Macklis und George Kirche berichteten über das Forschungsprojekt im renommierten Wissenschaftsmagazin "Nature", das in der Springer-Nature-Verlagsgruppe erscheint. 

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Dass Erbgut von Lebewesen, also die Desoxyribonukleinsäure (im Englischen DNA abgekürzt – auf die deutsche Bezeichnung, DNS, wird hier wegen der möglichen Verwechslung mit dem Domain Name System verzichtet), theoretisch als sehr effizienter Datenspeicher taugt, ist schon etwas länger bekannt. So berichtete das Nature-Magazin im Herbst 2016 über die langjährigen Überlegungen von Nick Goldman, einem Forscher am European Bioinformatics Institute (EBI) im britischen Hinxton zum Thema. 

DNA-Speicherung dauert Stunden oder Tage 

Zwar wäre die Speicherung von Informationen in DNA-Strängen im Vergleich zu den Mikrosekunden-Zeitskalen für das Lesen oder Schreiben von Bits in einem Silizium-Speicherchip pathetisch langsam. Es würde Stunden dauern, um Daten zu codieren, indem sie DNA-Stränge mit einem spezifischen Muster von Basen synthetisieren, und noch mehr Stunden, um diese Information mit einer Sequenziermaschine wiederherzustellen. Aber, so führt Goldman aus, passt mit der DNA ein ganzes menschliches Genom in eine Zelle, die für das bloße Auge unsichtbar ist. 

In der Kategorie der reinen Dichte der Informationsspeicherung könnte DNA die herkömmlichen Silizium-Speicher unvergleichlich übertrumpfen. DNA könnte sich also perfekt für die Langzeitarchivierung eignen. Schließlich ist DNA auch nach Tausenden von Jahren noch recht problemlos reproduzierbar und selbst aus 430.000 Jahre alten Knochen von frühen Neandertalern ließ sich Erbgut noch isolieren. Zum Vergleich: Bisherige Speichermedien werden mit einer Lebensdauer von fünf bis 50 Jahren angepriesen, Forschungsprojekte haben Speicher in der Entwicklung, die eventuell 500 Jahre überdauern könnten.

Auf ein Kilogramm DNA könnten alle Daten der Welt passen

Nach Berechnungen von Forschern steht die Welt vor einer Datenkrise. Bis zum Jahr 2020 wird das globale Datenarchiv wohl 44 Billionen Gigabyte betragen. Bei weiterem Wachstum könnte 2040 die Datenmenge so groß sein, dass sie zehn bis 100 Mal so viel Silizium für Speicherchips verbrauchen würde, wie überhaupt Silizium vorhanden wäre. Wenn Informationen so dicht wie in Genen eines Bakteriums verpackt werden könnten, könnte der weltweite Speicherbedarf mit gerade mal einem Kilogramm DNA gedeckt werden, sagt Forscher David Markowitz von der US Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA). 

Tweet der Harvard Medical School


Die Forschungen, künstlich Daten in DNA zu speichern, stellen derweil den Fachbereich der Bioinformatik vollends auf den Kopf. Bislang hatte die Bioinformatik die Aufgabe, "mathematische Methoden und Algorithmen für die Analyse von DNA- und Proteinsequenzen bereitzustellen, ebenso für die Untersuchung von aus solchen Sequenzdaten abgeleiteter biologischer Information [...]", schreiben die Springer-Autoren Marc-Thorsten Hütt und Manuel Dehnert im Buch "Methoden der Bioinformatik". Dass Bioinformatik nun aber nicht nur beim Auslesen von Informationen unterstützen, sondern auch Daten schreiben soll, ist eine Revolution in diesem Bereich. 

Bislang lediglich Pionierarbeit

Doch die Versuche der Teams um Goldman oder Shipman sind bisher lediglich Pionierarbeit. Von einem realistischen Ablegen von größeren Mengen digitaler Daten in DNA-Speicher ist man noch weit entfernt. Es gibt beispielsweise eine gewisse Fehlerquote bei der Reproduktion von DNA, das verfälscht die Ergebnisse beim Auslesen von Informationen aus DNA-Strängen. Dafür existieren noch längst keine Korrekturmechanismen. 

Zudem wird sich DNA-Speicherung auch sobald nicht für den Haushaltsgebrauch eignen, sofern nicht komplett neue Technologien eine einfachere und schnellere Codierung von Informationen zu DNA-Molekülen erlauben – und selbstredend auch ein schnelleres Auslesen. Doch von den ersten Magnetbändern bis zu heutigen Terabyte-Speichern war es auch ein langer Weg. Damals hätte man sich auch nicht vorstellen können, wie viel Information auf ein kleines, handliches Gerät passt...

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