Internet im Schuhkarton

Bis 2020 produziert jede einzelne Person etwa 1,7 Megabyte Daten pro Sekunde, schätzt Sang Yup Lee, Professor am Korea Advanced Institute of Science and Technology (Kaist). Das entspricht ungefähr 418 Zetabyte pro Jahr. Um all das zu speichern, bräuchte man ungefähr zwischen vier bis fünf Milliarden Ein-Terabyte-Festplatten – die zu allem Überfluss nicht länger als ein paar Jahrzehnte halten. Danach sind die Daten verloren.

Mit DNA als Speicher sähe das anders aus. Alle im Internet verfügbaren Informationen hätten Platz in einem einzigen Schuhkarton. Denn die Erbsubstanz hat eine unglaubliche Dichte. Ein einziges Gramm könnte knapp 200.000 Terabyte Daten speichern. Und unter richtigen Bedingungen übersteht die DNA Zehntausende von Jahren.

DNA-Speicher sind im Gegensatz zu DNA-Rechnern bereits relativ weit: Microsoft gelang es mit Unterstützung der Universität Washington, ein Gigabyte Informationen auf DNA zu speichern, darunter 100 Bücher aus dem Projekt Gutenberg, etwa „Krieg und Frieden“, Deep Purples „Smoke on the Water“ oder ein GIF von einem galoppierenden Pferd.

Speichern an sich ist ein relativ einfacher Prozess. Zunächst müssen die Daten von Nullen und Einsen in die vier Basen A, T, C und G, aus denen die DNA sich zusammensetzt, übersetzt werden (siehe Seite 68). Die entsprechenden Moleküle entstehen dann durch Synthese.

Das Problem war eher das Auslesen des Inhalts: Forscher konnten nur alles Gespeicherte komplett auslesen und nicht gezielt einzelne Informationen. Denn beim Lesen sind mehrere Prozesse notwendig: Zunächst wird durch eine Polymerase-Kettenreaktion eine Kopie erzeugt, diese danach zurückübersetzt – decodiert – und auf Fehler geprüft. Die Micro-soft-Forscher schafften es jedoch, nur einen bestimmten Abschnitt der DNA-Sequenz in diesen Zwischenspeicher zu laden und auszulesen – hier den Code für das Wort „hello“.

Was den Informatikern zudem gelang: Sie realisierten Algorithmen innerhalb der DNA, zum Beispiel nach Bildern zu suchen, die einen Apfel oder ein grünes Fahrrad enthalten.

Der Flaschenhals sind, wie auch bei der Entwicklung von ganzen DNA-Computern, die Kosten. Um einen Text mit 180 Zeichen, einen Tweet, zu speichern, braucht man 550 Basen – bei derzeit etwa 7 bis 9 Cent pro Base kostet die Speicherung also knapp 50 Dollar. Außerdem nimmt sie etliche Stunden in Anspruch. Zwar erledigen Maschinen bereits einzelne Schritte der Synthese, aber einige Zwischenschritte sind immer noch Handarbeit. Die Forscher aus Washington und von Microsoft arbeiten derzeit daran, die Zwischenschritte zu automatisieren und dafür günstige, auf dem Markt erhältliche Labortechniken zu verwenden.

Auch die Firma Catalog, ein Spin-off des Massachusetts Institute of Technology (MIT), entwickelt eine Maschine, die täglich ein Terabyte an Daten auf DNA speichern soll. Statt nun für die Information neue DNA-Stränge zu kreieren, generiert Catalog riesige Mengen an vorgefertigten kurzen DNA-Strängen mit gängigen Code-Kombinationen und kombiniert sie dann – so, als würde jemand mit einem Stempel ganze Wörter zu Papier bringen, statt jeden Buchstaben einzeln zu schreiben.

Die Firma will die bisherigen Speichertechnologien komplett ersetzen. Aufgrund der hohen Investitionen und des kommerziellen Interesses könnten in den kommenden zehn Jahren bereits DNA-Speicher-Dienste auf dem Markt sein, schätzt Victor Zhirnov, Direktor der US-Forschungsinitiative Semiconductor Research Corporation. Das gemeinnützige Forschungsinstitut Potomac Institute for Policy Studies sieht sogar schon 2020 erste kommerzielle Angebote auf dem Markt, zumindest für Forscher. Und bis 2030 würden die Preise so weit fallen, dass 100.000 Basen für nur einen Cent zu haben wären. Spätestens dann dürften DNA-Speicher auch für Unternehmen interessant sein. (bsc)