Biologische Methoden zur Erfassung und Übermittlung von Informationen sind sehr gemächlich. Die Natur hat Milliarden von Jahren der Evolution vor sich und Eile ist kontraindiziert, denn Informationen müssen ohne kritischen Schaden durch den Abgrund der Zeit getragen werden. DNA erwies sich als ein solches Werkzeug, um Daten über biologische Organismen zu speichern und zu übertragen. Es überrascht nicht, dass Wissenschaftler darüber nachdenken, wie DNA verwendet werden kann, um beliebige Informationen zu speichern.
Zuvor hatte die US Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) das MIST-Programm (Molecular Information Storage) gestartet. Im Rahmen des Programms ragte das Projekt SMASH (Scalable Molecular Archival Software and Hardware) heraus. Den Zuschlag für das SMASH-Programm erhielt das Georgia Technological Research Institute (GTRI). Das Programm sieht die Entwicklung von Halbleiterplattformen (Chips) zum Schreiben und Lesen von DNA-Daten vor.
Im Rahmen des SMASH-Programms arbeiten Twist Bioscience und Roswell Biotechnologies sowie die University of Washington und Microsoft mit Wissenschaftlern des Atlanta Institute zusammen. Wie die BBC heute berichtete, haben Wissenschaftler große Fortschritte bei der Aufzeichnung und Speicherung von DNA-Daten gemeldet. Laut den Entwicklern konnten sie nach einer Möglichkeit greifen, die Aufzeichnungsdichte auf der DNA im Vergleich zu aktuellen Lösungen um das 100-fache zu erhöhen. Damit könnten in Zukunft zum Beispiel alle Filme der Menschheitsgeschichte im Volumen eines Würfelzuckers aufgenommen werden.
Für die Aufzeichnung von Daten auf DNA kann kein Binärcode verwendet werden, sondern eine Kodierung von vier Grundzeichen, was die Aufzeichnungsdichte im Vergleich zur Aufzeichnung mit einem Binärcode dramatisch erhöht. Wie Sie wissen, enthält ein DNA-Strang Sequenzen von vier Nukleinsäurebasen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Zum Codieren können Sie die Basen beispielsweise wie folgt darstellen, wobei 00 = A, 01 = C, 10 = G und 11 = T ist. Die mit diesen Säuren codierten Daten werden in DNA geschrieben und zur Aufbewahrung in einen kleinen Behälter gepackt . Bei niedrigen Temperaturen können DNA und die darauf aufgezeichneten Daten Tausende von Jahren nahezu unbeschadet aufbewahrt werden.
Das Problem beim Schreiben von Daten in DNA ist die niedrige Syntheserate und die gleiche niedrige Sequenzierungsrate. Außerdem ist es teuer. Wissenschaftler benötigen bis zu 24 Stunden, um DNA zu synthetisieren, wobei 200 MB Daten aufgezeichnet werden. Daher besteht die Aufgabe darin, die Schritte des Schreibens und Lesens zu vereinfachen, zu beschleunigen und zu reduzieren, was durch das Platzieren von DNA auf Chips unterstützt wird. Wissenschaftler des GTRI haben einen solchen Ansatz mit einer wichtigen Verbesserung entwickelt und implementiert. Sie lernten, DNA-Einzelstränge parallel in vielen Zellen gleichzeitig zu synthetisieren. Und je mehr solcher Zellen vorhanden sind, desto schneller wird die Aufzeichnung und desto höher wird die Dichte der aufgezeichneten Informationen sein.
Im neuen Jahr wollen die Forscher den DNA-Synthese-Chip mit elektronischer Umreifung ausrüsten, um die Prozesse zu beschleunigen und vollständig zu automatisieren. Langfristig kann so auf die Verwendung von Magnetbändern zur langfristigen Datenspeicherung verzichtet werden. Bänder müssen alle 10 Jahre aktualisiert werden, und DNA-Daten können Hunderte oder Tausende von Jahren ohne Aktualisierung gespeichert werden.
2021-12-02 18:31:42
Autor: Vitalii Babkin