Nick Goldman. Foto von Benedikt von Loebell (CC BY-NC-SA 2.0)
Nick Goldman. Foto von Benedikt von Loebell (CC BY-NC-SA 2.0)

In meiner Umfrage, welche Blog Beiträge euch zukünftig interessieren würden, kam immer wieder ein Thema auf: Die Analogie zwischen DNA und Computern. DNA ist der Bauplan unseres Lebens. Auf ihr ist alle Information gespeichert, um aus uns den Menschen zu machen, der wir sind. Die ganz persönliche Festplatte. Festplatte? Könnte ich meine Fotosammlung, Kontaktdaten und Erinnerungen auch auf DNA speichern? Schließlich macht mich mehr aus als nur meine Erbinformation.

Bezeichnung der Speichergrößen; jeweils Faktor 1000

Bezeichnung der Speichergrößen; jeweils Faktor 1000

Noch speichern wir unsere Daten hauptsächlich auf magnetischen und optischen Speichermedien. Auf einer Diskette konnte man damals bis zu 3,25 Megabyte speichern. Auf einer DVD etwa 9,4 Gigabyte. USB Sticks kann man mittlerweile schon in Terabyte Größe kaufen. Magnetische Speicher fassen derzeit bis zu 185 Terabyte, optische bis zu 1 Petabyte. Der uns verfügbare Speicher wächst und wächst. Nur leider langsamer, als die Masse an digitalen Daten. Eine Studie der EMC Corporation (ein US-amerikanischer Speicherhersteller) sagt voraus, dass schon in 4 Jahren die verfügbare Speichermenge nur noch für 15 Prozent aller Daten reicht.

Die meisten Daten sind jedoch flüchtig, müssen also gar nicht dauerhaft gespeichert werden. Aber was ist mit den riesigen Mengen an Daten, die zum Beispiel in den Naturwissenschaften anfallen. Wir befinden uns im Zeitalter der Hochdurchsatztechnologien. Jeden Tag werden in Biologie, Chemie, Physik riesige Datenmengen gemessen. Datenmengen, die Informationen enthalten, die sich im Moment vielleicht noch gar nicht sinnvoll auswerten lassen. Was tun? Verwerfen, weil der Speicher knapp wird? Oder vorerst sichern und in 50 Jahren wieder rauskramen? Aber da sind wir schon beim nächsten Problem: unsere Datenspeicher sind nicht für die Ewigkeit gemacht. DVDs halten etwa 10 Jahre. Flash-Speicher etwa 30 Jahre (natürlich abhängig von der Anzahl der Schreibvorgänge). Und noch ein Problem: wer von euch kann heute noch eine Diskette lesen? Ich selbst habe nicht einmal mehr die nötige Hardware um eine CD oder DVD abzuspielen. Müssen wir unsere Daten also ständig auf neuere Speichermedien übertragen?

Abbildung aus "A DNA-Based Archival Storage System"

Abbildung aus “A DNA-Based Archival Storage System”

Speicher der Zukunft

Wohin also mit all den Informationen und dem ganzen Wissen, das die Menschheit über die Jahrhunderte angesammelt hat? Zur der geringen Lebenszeit unserer heutigen Speichermedien, kommt noch deren erhebliche Größe. Und damit meine ich nicht die Speichergröße sondern die echte räumliche Größe. Man braucht heute etwa einen Kubikmillimeter, um hundert Gigabyte zu speichern. Bis 2020 soll das weltweite Datenvolumen auf 44 Billionen Gigabyte (44 Zettabyte) wachsen, das sind etwa 440.000 Liter Speicherplatz. Viel besser wäre es doch, wenn wir dafür nur 44 Milliliter brauchen würden. Gesucht wird also ein Speichermedium, auf das ein Exabyte Information pro Kubikmillimeter passt (man spricht hier von Informationsdichte). Gibt es das? Ja! Und ihr werdet sicher nicht überrascht sein, dass es sich dabei um DNA handelt.

DNA als Langzeitspeicher

Schon 1988 hatten die ersten Wissenschaftler die Idee, eine Botschaft auf DNA zu speichern. Und seither haben Wissenschaftler immer mal wieder damit experimentiert, DNA als Speichermedium zu nutzen. Interessant ist DNA vorallem für die Langzeitspeicherung von Daten, oder sagen wir, für die Archivierung des Wissens der Menschheit. Welche Vorteile bietet DNA gegenüber anderen Speichermedien?

Die Informationsdichte von DNA übertrifft die Informationsdichte gegenwärtiger Speichermedien um Längen. Wie oben schon erwähnt passt etwa ein Exabyte Information auf einen Kubikmillimeter DNA. Oder in Gramm ausgedrückt, passen auf ein Gramm DNA die Daten von etwa einer Millionen CDs.

Auch die Lebensdauer von DNA übertrifft die Lebensdauer gegenwärtiger Speichermedien um Längen. Selbst unter ungünstigen Bedingungen hält sich DNA über Jahrhunderte. In einer kalten, trockenen, dunklen Umgebung lässt sie sich ohne nennenswerten Aufwand sogar über Jahrtausende bewahren. Zum Beispiel konnte DNA des vor zehntausend Jahren ausgestorbenen Mammuts 2008 sequenziert werden.

DNA ist die Grundlage allen Lebens. Das Lesen und Schreiben von DNA ist durch unser Interesse am Erbgut aller Lebewesen möglich geworden. Noch immer gilt es unzählige biologische Fragestellungen mittels DNA-Analyse zu klären, was den Fortschritt dieser Technologien weiter rasant voran treibt. Das Speichermedium an sich — die DNA — wird aber auch in tausenden von Jahren noch das selbe sein. Und auch den Menschen der Zukunft wird es noch möglich sein, DNA zu lesen.

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Kommentare (6)

  1. #1 roel
    *******
    27. Juli 2016

    @Franziska Hufsky Vielen Dank für diesen super informativen und interessanten Beitrag. Ich habe mich sehr gefreut, dass du auf meinen Themenvorschlag so toll und so schnell eingegangen bist. Ich bin schon gespannt auf Teil 2.

  2. #2 jottit
    28. Juli 2016

    Aus meiner Sicht ein hervorragender Artikel, der viele Punkte erläutert.

    DNA als Langzeitspeicher (~ 50 Jahre) zur Archivierung kann ich mir in wenigen Jahren gut vorstellen, als Ersatz zum Band und Mikrofilm.

    Als Kurzzeitspeicher, als Ersatz von der Hard Drive oder sogar von Solid State Drive, dazu fehlt mir der Glaube. Aber wahrscheinlich wird das auch nicht versucht werden.

  3. #3 Dr. Webbaer
    31. Juli 2016

    Alles richtig angemerkt, die Datendichte (das Fachwort) der Desoxyribonukleinsäure ist schon ganz OK, zudem persistiert diese Struktur (zeitlich sozusagen) recht gut.
    Andererseits sind durch die DNA keine dbzgl. Grenzen der Naturlehre gesetzt.

    MFG
    Dr. Webbaer

  4. #4 Anderer Michael
    2. August 2016

    Mal laienhaft gefragt.
    Kann diese Speicher-DNA auch in ein Erbgut eingebaut werden und weiter vererbt werden. Also, z. B.die Langzeit-Daten einer Versicherung sind im Erbgut einer Milchkuh inaktiv enthalten und werden weiter vererbt und kostenneutral gespeichert. Der Landwirt wäre sozusagen im Nebenerwerb Datenwirt.

    Die Frage ist ernst gemeint, das Beispiel nicht so ganz.

    • #5 Franziska Hufsky
      2. August 2016

      Mit Kühen vielleicht (noch) nicht, mit Bakterien wird sowas aber durchaus schon gemacht. Es gibt also Forschung in diesem Bereich. Der Nachteil zum Gefriertrocknen: im lebenden Organismus können Mutationen auftreten. Dadurch würden die Informationen dann verfälscht werden. Im schlimmsten Falle würden sie unlesbar werden (ein Fehler in einer “Pixel-Information” in einem Foto ist nicht so schlimm, ein Fehler im Header der Datei könnte sie jedoch unlesbar machen).

  5. […] DNA als Langzeitspeicher für unsere Daten scheint nicht unrealistisch. Kann man mit DNA auch rechnen? Biologische Prozesse sind nix anderes als Informationsverarbeitung — DNA ist die Information und verarbeitet wird sie zu all den chemischen Prozessen in unserem Körper, von der Verdauung bis zum Marathon-Lauf. Können wir die Informationsverarbeitung der DNA auf Probleme aus der Informatik übertragen? […]