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Durchbruch mit DNA-Speicher : Die Festplatte für die Ewigkeit

DNA-Strang, Träger der Erbinformation.

In einem Gramm DNA dagegen  könnte man dreimal so große Datenmengen abspeichern (und zwar fehlerfrei), wie der Supercomputer des Deutschen Klimarechenzentrums enthält.  Wie das geht? Die beiden New Yorker Forscher haben dazu einen mehrstufigen Algorithmus genutzt, der im Prinzip  als „Fountain Code“  (etwa: Brunnen-Code) in der Youtoube-Szene schon länger bekannt ist. Im Prinzip geht es darum, jeden Baustein in dem langen DNA-Faden  so effektiv und fehlerfrei wie möglich als Informationseinheit zu nutzen. Maximale Datenverpackung, damit die Informationen nur so  sprudeln.  Keine Information darf verloren gehen, Redundanz erzeugt Genauigkeit. Deshalb haben die Forscher ihren „DNA-Brunnen“  so programmiert, dass er die digitale Information möglichst optimal und verlustfrei in die biologische Sprache der Erbsubstanz übersetzt. Jede Informationseinheit wird in Abertausende kleiner „DNA-Häppchen“ eingeschrieben  – nicht einmal, sondern vielfach. Dazu werden DNA-Sequenzen genutzt, die möglichst leicht und sicher wieder ausgelesen werden können. Informationsmüll wird schon während der Speicherproduktion aussortiert. Auf die Weise ist es Erlich und Zielinski gelungen, jeden DNA-Baustein fast optimal als Bitspeicher zu nutzen. Jeder einzelne DNA-Schnipsel wurde mit einem Barcode versehen, damit es am Ende bei der Wiedergewinnung der Daten zu keinerlei falschen Zuordnungen kommt. 

Stummfilm und Betriebssystem im Erbmaterial

Für ihren Testlauf haben sie eine komprimierte Datei mit 2,15 Megabyte in einen biologischen Speicher aus 72.000 DANN-Schnipseln übersetzt. Enthalten darin: die Daten für ein Computerbetriebssystem, den berühmten französischen Stummfilm „Die Ankunft eines Zuges auf dem Bahnhof in La Ciotat“ aus dem späten 19. Jahrhundert, eine 50-Dollar-Geschenkkarte von Amazon, einen Computervirus, die Information einer der Pioneer-Plaketten, die auf interstellaren amerikanischen Raumsondern installiert wurde, und ein pdf-file mit einer Arbeit von Claude Shannon, einem der ersten Informationstheoretiker und Wegbereiter des digitalen Zeitalters. 

Nimmt man die Schnelligkeit heutiger Prozessoren zum Vergleich, dann ging der ganze Speichervorgang nicht gerade leicht von der Hand, er war sogar extrem mühselig.  Das Schreiben, Übertragen und auch das Wiedergewinnen der Information aus dem DNA-Speicher dauerte Stunden, ja Tage. Geschwindigkeit also ist sicher nicht die Stärke der molekularen Speicher, so schnell werden sie moderne Memory Sticks in der Hinsicht nicht ersetzen können. Aber wenn es um die Datendichte und die Genauigkeit angeht, ist der molekulare Speicher praktisch unschlagbar: Null Fehler beim Abspeichern und Auslesen der Datei.  Und minimaler Energieverbrauch, wenn man die DNA-Schnipsel nach der Herstellung beispielsweise  in Siliziumkörner einbettet. In dem trockenen Mineral gibt es praktisch keinen Verschleiß des biologischen Materials.

Machbar und wünschenswert ist die DNA-Speicherung also durchaus, das dürfte auch jenen einleuchten, die noch immer an die Zukunft der konventionellen Silizium- und Magnetspeicher glauben – und dafür Milliarden Dollar in die Weiterentwicklung investieren. Entscheidend für die Branche ist aber nicht die Machbarkeit, sondern die Antwort auf den zweiten Teil der Ausgangsfrage: Sind die biologischen Speicher auf effizient und kostengünstig  genug?  An dieser Stelle müssen Erlich und Zielinski Kreide fressen: 7000 Dollar allein für die Synthese der vergleichsweise mickrigen zwei Megabyte aus den Biobausteinen der DNA  und nochmal 2000 Dollar für das Auslesen der DNA-Schnipsel in der Sequenziermaschine sind Größenordnungen zu viel, um daraus ein Geschäftsmodell zu basteln. „Das ist noch eine echte Hürde“, räumen die zwei Forscher ein. Doch an den Kosten soll es nicht scheitern. Wenn statt der teuren, supergenauen chemischen Syntheseapparate, die heute verwendet werden, weniger genaue DNA-Maschinen und diese in großer Zahl eingesetzt würden, so die Hoffnung der Forscher, könnten die Kosten um Größenordnungen sinken – vielleicht nicht ganz so stark, wie sie  in der Genanalytik gesunken sind. Aber es könnte reichen, um die Langzeitspeicherung mit DNA attraktiv zu machen. Und was die Ungenauigkeit der DNA-Schreibgeräte angeht, so wären die Algorithmen des DNA-Fountain-Verfahrens effektiv genug, um die fehlerhaften DANN-Informationsschnipsel zuverlässig im Herstellungsprozess auszusortieren.

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