Ein interdisziplinäres Forschungsteam der University of Missouri hat kürzlich eine neue biologische Speicherlösung vorgeschlagen und behauptet, dass diese DNA-Moleküle in eine wiederbeschreibbare digitale Festplatte zum Speichern verschiedener digitaler Dateien „umwandeln“ soll. Obwohl diese Forschung noch viele Jahre von einer praktischen kommerziellen Nutzung entfernt ist, gilt sie als wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der DNA-Datenspeicherung.

Li-Qun Gu, Forscher und Co-Autor des Artikels, wies darauf hin, dass DNA ein äußerst kompakter und äußerst stabiler Informationsträger sei. Die natürliche DNA-Kette zeichnet den genetischen Bauplan allen Lebens auf der Erde auf und das Ziel des Teams ist es, dieses molekulare System in ein universelles Speichermedium für die Computerwelt umzugestalten. Zu diesem Zweck schlugen sie eine Schreibmethode vor, die auf der „Frameshift-Kodierung“ basiert, einem Konzept, das vom weit verbreiteten ribosomalen Frameshift-Mechanismus in Viren abgeleitet ist: Ein einzelner mRNA-Strang kann durch Verschiebung des Leserahmens mehrere Proteine ​​erzeugen und so eine höhere Informationsdichte in einer begrenzten Sequenz „herausquetschen“.

Das Forschungsteam glaubt, dass dieses Prinzip auch in einen digitalen Schreibprozess umgewandelt werden kann, d. h. durch die sorgfältige Gestaltung von DNA-Basensequenzen werden Nullen und Einsen in die Molekülstruktur kodiert, um ein schnelles, kostenkontrollierbares und hochparalleles Datenschreiben zu erreichen. Die technischen Details dieser Methode wurden in der Fachzeitschrift PNAS Nexus veröffentlicht. Der Autor schlug in dem Artikel vor, dass diese vom ribosomalen Frameshifting inspirierte Kodierungsstrategie das Potenzial hat, ein skalierbares Datenschreibsystem auf molekularer Ebene zu unterstützen, es aber noch viele biochemische und systemtechnische Herausforderungen zu bewältigen gilt, um die Entwicklung und Kommerzialisierung voranzutreiben.

Auf der Ausleseseite entwickelten die Forscher ein kompaktes elektronisches Gerät zur Verwendung mit einem molekularen Detektor: Während der synthetische DNA-Strang den Detektor passiert, werden die dadurch verursachten subtilen Ladungsänderungen erfasst, in eine binäre Sequenz übersetzt und schließlich in einer digitalen Datei rekonstruiert. Gu Liqun sagte, dass diese neue Methode im Vergleich zu früheren DNA-Speicherlösungen Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Umweltfreundlichkeit bietet. Die aktuelle Größe des Geräts ist jedoch immer noch relativ groß und es sind weitere Miniaturisierung und integriertes Design erforderlich, um eine tragbare Form ähnlich einem USB-Flash-Laufwerk zu erreichen.

Im Hinblick auf mögliche Anwendungen hat das Forschungsteam eine eher fantasievolle Vision formuliert: Die DNA-Speicherung soll dazu dienen, verschiedene Arten von Informationen zu schützen, von persönlichen Erinnerungen und wichtigen Dokumenten bis hin zu wissenschaftlichen Daten und Unternehmensarchiven, ohne auf die traditionelle Netzwerkinfrastruktur angewiesen zu sein und so die Cyberangriffe und Netzwerksicherheitsrisiken, denen bestehende digitale Systeme ausgesetzt sind, bis zu einem gewissen Grad zu vermeiden. „Man kann es sich wie einen extrem sicheren digitalen Safe vorstellen.“ Sagte Gu Liqun.

Aus physikalischer Sicht ist die Doppelhelix der DNA eine dreidimensionale biologische Struktur im mikroskopischen Maßstab. Diese molekulare Architektur verleiht ihm eine theoretische Speicherdichte, die viel höher ist als die von zweidimensionalen Halbleiterchips oder herkömmlichen Magnetaufzeichnungsplatten. Gleichzeitig gehen einige Forscher auch davon aus, dass Offline-Speicherformen auf molekularer Ebene natürliche „Isolationsvorteile“ gegenüber bestimmten Arten von Netzwerkeinbrüchen bieten. Allerdings ist es immer noch eines der Kernprobleme in diesem Bereich, wie man ein technisches Gleichgewicht zwischen ultrahoher Dichte, Langzeitspeicherung und schnellem zufälligen Lesen und Schreiben schafft.

Weltweit wird die DNA-basierte Informationsspeichertechnologie seit vielen Jahren kontinuierlich erforscht. Zu den Forschungsschwerpunkten gehören die Verbesserung der Praktikabilität von Geräten, die Reduzierung der Synthese- und Sequenzierungskosten sowie die Beschleunigung des Datenkodierungs- und -dekodierungsprozesses. Zu den früheren verwandten Arbeiten gehörte der Vorschlag des Konzepts einer „DNA-Kassette“ zur Speicherung umfangreicher Audioinhalte und der Einsatz künstlicher Intelligenz, um die Effizienz des DNA-Datenabrufs erheblich zu verbessern. Die vom Team der University of Missouri vorgeschlagene wiederbeschreibbare DNA-Festplattenlösung basiert auf diesem Forschungskontext und versucht, eine neue Kodierungsmethode sowie eine Lese- und Schreibarchitektur zu nutzen, um die Technologie einen Schritt weiter voranzutreiben.