Daten in DNA archivieren — und wiederfinden

Forscher an der University of Washington speichern Bilder in DNA. Technologie-Unternehmen errichten riesige Datenzentren, um all die Babyfotos, Finanztransaktionen, Katzenvideos und Emails zu speichern, die ihre Anwender im Lauf der Zeit ansammeln. Doch ein neues Verfahren, entwickelt von Wissenschaftlern der University of Washtington und Microsoft, könnte den notwendigen Platz für digitale Daten minimieren. Wo heute noch ein Supermarkt-großes Datenzentrum benötigt würde, reichte dann ein Raum von der Größe eines Zuckerwürfels.

Das Forscherteam hat einem Paper zur ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems kürzlich einen der ersten vollständigen Ansätze zum Codieren, Speichern und Wiederfinden von Daten mit Hilfe von DNA-Molekülen detailliert dargelegt. Auf diese Weise lassen sich Informationen millionenfach platzsparender archivieren, als dies mit den aktuellen Archivierungsverfahren möglich ist.

In einem Experiment, das in dem Paper beschrieben wird, konnte das Team digitale Daten von vier Bilddateien erfolgreich in die Nukleotidsequenz eines synthetischen DNA-Schnipsels kodieren. Und noch bedeutsamer: Sie konnten dies Prozess auch umkehren, also die korrekten Sequenzen aus einem größeren DNA-Pool herausfinden und die Bilder verlustfrei rekonstruieren. Dabei war nur bei einem Bild manuelle Nacharbeit erforderlich.

Die Menge an digital vorliegenden Daten soll bis zum Jahr 2020 auf 44 Billionen Gigabyte anwachsen, zehn mal mehr als 2013 und gleichbedeutend mit einem Stapel von Tablet-PCs, sechsmal zum Mond reicht. Natürlich müssen nicht alle Daten archiviert werden, doch die Menschheit produziert eben mehr Informationen als Kapazität zu ihrer Speicherung.

DNA-Moleküle können Daten millionenfach dichter verstauen,  als die vorhandenen Technologien wie Flash-Drives, Festplatten, magnetische und optische Medien. Diese Lösungen bauen auch nach einigen Jahren oder Jahrzehnten ab, während DNA die Informationen verlässlich für Jahrhunderte bereithalten könnte. DNA eignet sich für die Archivierung, aber weniger für den schnellen Zugriff.

Zuerst haben die Forscher ein Konzept entwickelt, um die langen Folgen von Nullen und Einsen via Huffman-Code in die vier Grundbausteine von DNA-Sequenzen, Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin, zu übertragen. Die Daten werden in Stücke geschnitten und in einer großen Zahl von  synthetisierten winzigen DNA-Molekülen gespeichert, die sich dehydrieren oder anderweitig für die Langzeitarchivierung aufbereiten lassen.

Die Forscher der University of Washington und von Microsoft haben außerdem auch den zufälligen Zugriff auf die Daten demonstriert, also die Fähigkeit, die korrekten Sequenzen aus dem großen Pool zufällig angeordneter DNA-Moleküle wiederzufinden, was der Aufgabe gleichkommt, das Kapitel einer Erzählung aus einer Bibliothek zerschnittener Bücher wiederzufinden.

Gegenwärtig stellen die Kosten und die Effizienz, mit denen die DNA hergestellt und sequenziert werden kann, die größten Hürden für die Anwendung des Verfahrens im großen Maßstab dar. Die Fortschritte in der Datenspeicherung per DANN setzten teils auf bereits bekannte Verfahren der Biotechnologie, andererseits beruhten sie auf neuen Erkenntnissen. So haben die Entwickler die Fehlerkorrektur vom gängigen Computerspeicher übernommen, was bisher nicht auf DNA angewendet wurde. 

Bild: Filme, Bilder, E-Mails von mehr als 600 Smartphones (10’000 GByte) finden Platz in dem kleinen Tropfen DNA am Grunde des Röhrchens. Foto: Tara Brown Photography/ University of Washington