Benötigen wir ein neues Speichermedium? Werden Server, Cloud, Stick und Co zukünftig noch ausreichen oder gar verfügbar sein?
Die Vergänglichkeit des Speichermediums
Datenspeicher sind nicht unendlich lange haltbar. Magnetfelder können Festplatten zerstören und UV-Einstrahlungen nach und nach das Trägermaterial von CDs und DVDs zersetzen. Hast du schon mal deinen PC gegen ein aktuelleres Modell ausgetauscht? Plötzlich gibt es neue USB-Formate. Und welcher Laptop hat heute noch ein CD-Laufwerk? Gut, mein Laptop hat es tatsächlich noch. Aber diese Geräte werden weniger.
Ok, dein Argument, es gibt ja Cloudspeicher, auf die man mit jedem Gerät zugreifen kann, ist berechtigt. Doch reichen die verfügbaren Speicherkapazitäten aus? Google ist da anderer Meinung.
Nach einer Einschätzung aus dem Jahr 2019 des Google Watch Blogs sah der Speicherbedarf von Google wie folgt aus:
- YouTube: 1-1.5 Petabyte (= 1.000 Terrabyte) pro Tag
- Google Fotos: 2 Petabyte pro Tag
- Goolge Cloud: 3 Petabyte pro Tag
- Google Drive: 500 Terrabyte pro Tag
- Gmail: 500 Terrabyte pro Tag
Und das war, wie gesagt, im Jahr 2019. Der Speicherbedarf erhöht sich stetig. Selbst Gartner spricht von einem exponentiellen Wachstum der Datenmengen, die die vorhandenen Speichertechnologien überfordern werden.
Kann die DNA-Datenspeicherung eine Lösung sein? Und was ist das überhaupt?
Kurz gesagt werden bei der DNA-Datenspeicherung Informationen in der Molekülstruktur der DNA gespeichert. Dazu werden die Informationen erst in einen Binärcode (0; 1) und aus diesen in einen Quartärcode (A; T; G; C) übersetzt. A, T, G und C sind die Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, aus welchen die DNA grundsätzlich besteht. Nun folgt die Synthese der DNA mit all ihren relevanten Informationen. DNA kann in den unterschiedlichsten Materialien gelagert werden. Aber dazu später mehr.
Natürlich können die gespeicherten Informationen auch wieder ausgelesen werden. Das erfolgt mittels Sequenzierung der DNA. Der so erhaltene Quartärcode (A; T; G; C) wird zurück in den Binärcode (0; 1) und dieser weiter in die zuvor codierte Information übersetzt.
Die Benefits?
DNA hat eine enorm hohe Speicherdichte. Ein Kubikmillimeter DNA fasst eine Million Terrabyte an Informationen. Das Magazin Spektrum schreibt dazu, dass 100 Millionen Stunden hoch aufgelöster Videos in einer Kaffeetasse voll DNA gespeichert werden können. Die Universität Jena zieht folgenden Vergleich: Auf ein Gramm DNA würden die Daten von etwa einer Millionen CDs passen.
Und die Alterungsbeständigkeit? Noch heute kann DNA aus Neandertalerknochen analysiert werden. Bei entsprechender Lagerung (DNA mag es kühl und dunkel) können die Informationen über Jahrhunderte erhalten bleiben.
Der Stanford-Hase
Was hat es nun mit dem berühmten Hasen auf sich? Der Stanford-Hase steht für ein 2019 entwickeltes Verfahren zur Speicherung von Daten in Objekten, was auch DNA of Things genannt wird. Der 3D-Hase beinhaltet einen digitalen DNA-Entwurf für seine eigene Synthese, d.h. für seinen 45 kB großen Bauplan.
Der Hase konnte über 5 Generationen repliziert werden ohne zusätzliche DNA-Synthese oder Informationsverlust. Jede Replikation verbrauchte nur 0,3% des Hasenmaterials. Diese 0,3% liefern ausreichend Material für 29 Nachkommenhasen. D.h. aus 0,3 % Ausgangshasenmaterial können mit Beschränkung auf 5 Generationen 8,44×10^19 Hasen erzeugt werden, ohne die DNA-Bibliothek neu zu synthetisieren.
Das Verfahren wurde von der ETH Zürich und dem Erlich Lab LLC in Israel entwickelt. Vorteil ist, dass Objekte mit Daten angereichert werden können, ohne physikalische Grenzen, wenn die DNA als Datenträger für Informationen in funktionelles Material eingebettet wird.
Mein Fazit
Diese Technologie ist unglaublich interessant und bietet viele Möglichkeiten der Weiterentwicklung oder der Anwendung. So könnten zum Beispiel mit dem CRISPR-DNA-Editing Informationen in einem Bakteriengenom gespeichert werden. 2017 hat ein Team der Harvard University dieses Verfahren ausprobiert und Pixelwerte von Schwarzweißbildern und einen Kurzfilm in das Genom lebender Bakterien geschrieben. Die Bakterien konnten die Daten stabil speichern und an ihre Nachkommen weitergeben.
Auch die Wahl der Materialien für die Einbettung der DNA-Speicher ist interessant. Sie können in sogenannte SPED-Beads, das sind Nanopartikel aus Silikon, eingeschleust werden. Hierin ist die DNA stabil und kann jeglichem funktionellen Material für den 3D-Druck beigemischt werden, um beispielsweise eine Plexiglasbrille zu drucken.
Quelle: Koch, Julian et al, A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory, 2019, in Nature Biotechnologie volume 38, pages 39–43
Ebenso wäre das Anbringen der winzigen DNA-haltigen Partikel auf ein Produkt oder einer Substanz denkbar, sodass Informationen später zur Verifizierung abgerufen werden können. Eine weitere interessante Anwendung könnte auch die Einbettung von Krankendaten in Prothesen oder ähnlichem sein. Wie bei den meisten neuen Verfahren ist diese Technologie momentan jedoch noch zu teuer für die großflächige Anwendung im Alltag.
Was hältst du davon? Kannst du dir vorstellen, deine Brille als Speichermedium zu benutzen? Ich freue mich über deine Kommentare dazu.
Bleib neugierig!