Archivspeicher der Zukunft? Was ist DNA-Storage?

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DNA-Storage ist eine Technologie, die Daten auf synthetischen DNA-Strängen speichert. Zum Schreiben werden digitale Daten in Sequenzen der vier Grundbausteine der DNA (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) kodiert. DNA-Storage bietet eine hohe Speicherdichte und ist langlebig und nachhaltig.

Bei DNA-Storage handelt es sich um eine noch recht junge Speichertechnologie. Mit ihr lassen sich Informationen auf synthetischen DNA-Strängen speichern. Das Kürzel DNA steht für Deoxyribonucleic acid (deutsch: Desoxyribonukleinsäure, auch „DNS“ abgekürzt; mittlerweile hat sich jedoch „DNA“ auch im deutschen Sprachgebrauch durchgesetzt). DNA besteht aus den Desoxyribonukleotiden Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) und trägt bei Lebewesen die Erbinformationen.

DNA-Storage kodiert und dekodiert zum Schreiben und Lesen von Informationen die digitalen Daten in Kombinationen dieser vier Grundbausteine. Mithilfe von DNA-Storage lassen sich riesige Datenmengen auf kleinstem Raum speichern. Darüber hinaus ist DNA-Storage langlebig und nachhaltig. Um die Entwicklung und Verbreitung der Technologie voranzutreiben, gründeten 2020 die Unternehmen Illumina, Microsoft, Twist Bioscience und Western Digital die DNA Data Storage Alliance (DDSA), der sich mittlerweile zahlreiche weitere Unternehmen angeschlossen haben.

Bisher existieren nur erste Prototypen von DNA-Storage. Kommerziell einsetzbar ist die Technologie aber noch nicht.

Prinzipielle Funktionsweise von DNA-Storage

Erster Schritt zur Speicherung von Daten auf DNA ist die Kodierung der binären Daten mit ihren Abfolgen von Nullen und Einsen in Sequenzen der vier Grundbausteine von DNA Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Anschließend werden DNA-Stränge mit diesen Sequenzen synthetisiert. Nach dem Synthetisieren werden die DNA-Stränge eingekapselt, um sie haltbarer zu machen.

Das Lesen der Daten findet über die Sequenzierung der synthetischen DNA statt. Die Identitäten und Abfolgen der Grundbausteine A, C, G und T werden ermittelt und wieder in Bitfolgen aus Nullen und Einsen übersetzt (dekodiert). Um Fehler zu beheben, die bei der Synthese, Aufbewahrung oder Sequenzierung der DNA-Stränge auftreten können, lassen sich Fehlerkorrekturverfahren einsetzen.

Vor- und Nachteile von DNA-Storage

Mit DNA-Storage lassen sich extrem hohe Speicherdichten realisieren. Dadurch werden riesige Datenmengen auf engstem Raum speicherbar. Die DNA-Stränge sind chemisch sehr stabil. Daten können über lange Zeiträume (mehrere tausend Jahre) zuverlässig gespeichert werden. DNA-Storage eignet sich deshalb auch sehr gut zur Langzeitarchivierung von Daten. Zudem ist DNA-Storage energieeffizient und ermöglicht eine nachhaltige Speicherung von Informationen. Ein weiterer Vorteil von DNA-Storage ist, dass die Informationsspeicherung auf DNA-Strängen ein unveränderliches und quasi auf ewig unterstütztes Speicherformat ist. Geeignete Lesetechnologien wird es aufgrund des biologischen Ursprungs und der Speicherung von Erbinformationen immer geben.

Neben diesen Vorteilen ist DNA-Storage aber auch mit einigen Nachteilen verbunden. Zu diesen zählen: Die Technik befindet sich in der Entwicklungsphase und ist kommerziell noch nicht sinnvoll einsetzbar. Darüber hinaus ist die DNA-Storage-Technologie aufwendig und kostenintensiv. Aufgrund der für das Schreiben und Lesen notwendigen chemischen Prozesse sind nur sehr niedrige Lese- und Schreibgeschwindigkeiten realisierbar.

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