DNA-Computer löst Sudokus und speichert mehrere Millionen Gigabyte über Jahrtausende hinweg

Vollständig funktionierende Computer auf DNA-Basis sind noch Zukunftsmusik, aber die Forschung kommt ihnen deutlich näher. Forscher:innen der North Carolina State University haben eine neue Technologie entwickelt, die mehrere Petabytes an Daten für Jahrtausende, wenn nicht gar Jahrmillionen in DNA speichern kann. Das System ist außerdem in der Lage, Daten auch zu verarbeiten.

Mehr Kapazität als jeder elektronische Datenspeicher

Bereits der kleine Finger eines menschlichen Körpers kann mehr Daten speichern als die besten verfügbaren elektronischen Datenspeicher. Jede Körperzelle ist in der Lage, 800 Megabyte an Daten zu sichern. Es ist daher nur wenig überraschend, dass die Wissenschaft schon seit längerem daran arbeitet, sich diese beeindruckende biologische Speicherkapazität zunutze zu machen.

Allerdings ist DNA von Natur aus sehr empfindlich, und auch sie mit Daten zu beschreiben, diese Daten zu lesen oder gar auf der DNA zu verarbeiten ist alles andere als einfach. Das Team der North Carolina State University behaupten jedoch, ein System entwickelt zu haben, dass diese Herausforderungen lösen kann. Das Schlüsselelement ist dabei ein weiches Polymer-Material, das eine Art Gerüst für die DNA darstellt. Die DNA kann dann für Langzeitspeicherung dehydriert und zum Abrufen der Informationen rehydriert werden.

„Specifically, we have created polymer structures that we call dendricolloids – they start at the microscale, but branch off from each other in a hierarchical way to create a network of nanoscale fibers. This morphology creates a structure with a high surface area, which allows us to deposit DNA among the nanofibrils without sacrificing the data density that makes DNA attractive for data storage in the first place„, so Orlin Velev, einer der Autor:innen der Studie.

Datensicherung über Millionen Jahre

Mit dieser Technologie können Daten mit einer unglaublichen Dichte gesichert werden. Auf jedem Kubikzentimeter können die Forscher:innen 10 Petabyte speichern. Es lassen sich also 10 Millionen Gigabyte auf dem Raum eines Zuckerwürfels speichern. Der Speicher kann Daten nachhaltiger als reine DNA sichern und mehr als 170 Zyklen aus Dehydrierung und Rehydrierung durchlaufen. Reine DNA ist auf etwa 60 Zyklen limitiert.

Wie auch andere DNA-Daten-Technologie ist auch die Dendricolloid-Technologie am besten für Langzeit-Datenspeicherung geeignet. Die Forscher:innen gehen davon aus, dass die DNA auf dem Polymer-Material eine Halbwertszeit von etwa 6000 Jahren bei einer Temperatur von vier Grad Celsius hat. Gekühlt auf -18 Grad Celsius steigt dieser Wert auf unglaubliche zwei Millionen Jahre.

Lesen, schreiben und Datenverarbeitung

Um die DNA zu beschreiben, konvertiert ein Algorithmus sie in eine Sequenz aus Nukleinsäuren, spezifischer dem üblichen ACGT-Code von DNA. Gelesen wird die Information über RNA-Moleküle, die die Daten von der DNA kopieren und dann sequenziert werden. Das bedeutet auch, dass die DNA nicht zerstört werden muss, um von ihr zu lesen, wie es bei anderen, vergleichbaren Systemen der Fall ist.

Die neue Technologie ermöglicht zudem Datenverarbeitungen direkt in der DNA. Dabei kommen Enzyme zum Einsatz. Die Forscher:innen demonstrierten dies, indem sie das System einfache Schachprobleme sowie Sudokus lösen ließen.

„ The ability to distinguish DNA information from the nanofibers it’s stored on allows us to perform many of the same functions you can do with electronic devices. We can copy DNA information directly from the material’s surface without harming the DNA. We can also erase targeted pieces of DNA and then rewrite to the same surface, like deleting and rewriting information stored on the hard drive. It essentially allows us to conduct the full range of DNA data storage and computing functions„, erklärt Kevin Li, Erstautor der Studie.

via North Carolina State University