Die Cloud aus DNA

Kommt der DNA-Speicher? Aktuelle Entwicklungen zeigen, dass eine Datenspeicherung in DNA-Strängen keine abwegige Idee ist.

Die Cloud aus DNA
Desoxyribonukleinsäure (DNS oder auf Englisch: Desoxyribonucleic Acid, kurz DNA) ist ein Speicher, in dem tierisches und menschliches Erbgut abgelegt ist. Schon seit Längerem arbeiten Forscher daran, DNA als Speichermedium für Daten einzusetzen. 

Bereits in den späten 1990er Jahren untersuchten Genetiker die DNA ausgestorbener Arten, indem sie Haare und Knochen von seit Jahrtausenden konservierten Tieren analysierten. Dies geschah noch zu einer Zeit, als die Daten von Computern auf Disketten gespeichert wurden, die gerade einmal eine Kapazität von 1,44 Megabyte enthielten. Dies entspricht heute etwa der Datenmenge eines Selfies. Dennoch gelten die Disketten von damals als historische Rarität, da ihre Speicherkapazität im Vergleich zu heute nicht nur winzig, sondern auch die Wiederherstellung der darauf befindlichen Daten auch mangels Lesemöglichkeit nahezu unmöglich erscheint.

DNA als zukünftiger Speicher von Daten


Nach Einschätzung von Experten wird die Menschheit demnächst mehr Daten generieren, als auf Festplatten oder Magnetbändern gespeichert werden kann. DNA ist ein ideales Speichermedium, weil sie die Sicherung kompakter Daten ermöglicht und sich Moleküle sogar hunderte oder tausende von Jahren lagern lassen, wie diese prähistorischen Funde beweisen. Wie langlebig das Material sei, beweisen Fossilien.

Die Geschichte hat zudem gezeigt, dass DNA kein veraltetes, überholtes Medium ist. Ebenso können mit den Erbmolekülen beliebig viele Kopien angefertigt werden, weil sie in der Natur durch die Polymerase-Ketten-Reaktion ständig vervielfältigt wird. Weiterer Vorteil ist die enorme Speichermenge. Auf einem Kubikmillimeter DNA kann eine Milliarde Gigabyte Datenmenge gespeichert werden. Es wäre möglich, das gesamte Internet auf einem Speicher abzulegen, der gerade einmal die Größe eines Schuhkartons umfasst.

Microsoft stellt DNA-Speicher vor


US-amerikanische Forscher haben ein System vorgestellt, das Daten automatisiert in DNA speichern und auslesen kann. Microsoft Research entwickelte in Gemeinschaftsarbeit mit der Universität von Washington in Seattle ein entsprechendes System. Allerdings lassen Schreib- und Lesegeschwindigkeit noch zu wünschen übrig. Um zu beweisen, dass das System funktioniert, hatten die Forscher das Wort „hello“ in Strängen künstlicher DNA abgelegt und im nächsten Schritt wieder lesbar gemacht. Laut Microsoft war dies ein wichtiger Schritt von einer labormäßigen zur serienreifen Anwendung. Alle Daten wurden in einem DNA-Strang abgespeichert, indem Nullen und Einsen digitaler Daten in die Basen der DNA Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) umgewandelt wurden. Anschließend wurden DNA-Stränge hergestellt, die in einem Gefäß gelagert wurden.

Schon seit einigen Jahren forscht Microsoft am Speichern künstlich hergestellter DNA. 2016 gelang es, 200 MByte Datenmenge in DNA zu speichern. Was damals einen Rekord darstellte, konnte mittlerweile durch die Menge von einem GByte übertroffen werden.

Um die gespeicherten Daten abzurufen, wurde die DNA gelesen. Die gewonnenen Daten wurden in ein Format umgewandelt, das von einem Computer verstanden wird. Das Verfahren ist jedoch noch langsam. Um eine Datenmenge von fünf Bytes zu speichern, werden etwa 21 Stunden benötigt. Das anschließende Auslesen nimmt sechs Minuten in Anspruch.

Zielsetzungen und Perspektiven


Ziel ist, einen Cloud-Speicher zu entwickeln, der für den Nutzer einen mit heute vergleichbaren Service bietet. Daten werden an das Rechenzentrum gesendet, dort gespeichert und dem Kunden auf Abruf wieder zur Verfügung gestellt. In einem Gramm DNA lassen sich 215 Petabyte Datenmenge speichern. Rein rechnerisch befindet sich die Grenze bei 1,8 Bits pro Baustein, wobei das von Forschern entwickelte Verfahren „DNA Fountain“ sogar 1,6 Bits erreichte.

Die Biosphäre wird zu einem gigantischen Supercomputer, dessen Informationsspeicher die DNA wäre und bei dem die Rechenleistung mit der gleichen Geschwindigkeit transportiert wird, mit der Erbgut-Informationen in Proteine übersetzt werden. Sämtliche Lebewesen werden zu Speichern, die durch wechselseitige Beziehungen und biochemische Verbindungen in einem globalen Netzwerk miteinander verbunden sind.            
Datum: 30 October 2019, 10:10 am   |   Autor: ED
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