Eine neue Ära der Datenspeicherung zeichnet sich am Horizont ab, dank einer innovativen Technologie, die DNA nutzt.
Diese Methode, genannt "epi-bits", verspricht eine unübertroffene Speicherdichte und eine gesteigerte Effizienz. Forscher der Universität Peking haben kürzlich ihre Arbeit in
Nature veröffentlicht und den Weg für praktische und personalisierte Anwendungen geebnet.
Das Team unter der Leitung von Cheng Zhang und Long Qian hat eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, Daten in Form von epigenetischen Modifikationen auf DNA-Strängen zu kodieren. Dieser Ansatz, genannt "epi-bits", nutzt die enzymatische Methylierung, um spezifische Positionen auf universellen DNA-Vorlagen zu markieren. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden erfordert diese Technik keine de novo-Synthese der DNA (das Zusammenfügen der Molekülkomponenten Stück für Stück), was den Prozess schneller und kostengünstiger macht.
Einer der großen Vorteile dieser Technologie ist ihre Fähigkeit, eine phänomenale Menge an Informationen auf winzigem Raum zu speichern. Ein einziges Gramm DNA kann bis zu 215.000 Terabyte an Daten enthalten, was 10 Millionen Stunden hochauflösenden Videos entspricht. Diese Speicherdichte, kombiniert mit der langfristigen Stabilität der DNA, macht sie zu einem idealen Medium für die Datenarchivierung.
Die epi-bits-Methode basiert auf der parallelen Assemblierung von vorsynthetisierten DNA-Fragmenten, sogenannten DNA-Bausteinen, auf einem wiederverwendbaren Strang. Jeder Baustein bindet an eine einzigartige Position und leitet ein Enzym an, um eine spezifische Stelle zu methylieren. Dieser Prozess ermöglicht die Kodierung von Daten nach einem binären System, ähnlich dem in der Informatik verwendeten.
Die Forscher haben die Effizienz ihrer Methode demonstriert, indem sie 275.000 Bits an Informationen auf fünf DNA-Vorlagen kodierten, ohne die Notwendigkeit einer langen und kostspieligen DNA-Synthese. Zu den gespeicherten Daten gehörten zwei hochauflösende Fotos, die das Potenzial dieser Technologie für die Speicherung von Bildern und Videos verdeutlichen. Darüber hinaus ermöglichte eine Plattform namens iDNAdrive Freiwilligen, selbst Daten zu kodieren, mit einer Lesefehlerrate von "nur" 1,42 %.
a) Mechanismus der Speicherung epigenetischer Informationen.
b) Schema der Programmierung mobiler DNA-Typen.
c) Programmierbare Assemblierung mobiler DNA-Typen mit epi-bits.
d) Paralleles Drucken durch DNMT1-geführte Katalyse zur selektiven Schreibung von epi-bits.
e) Nanoporen-Sequenzierung der modifizierten Vorlagen und kollektive Analyse der Methylierung.
Dieser Fortschritt eröffnet vielversprechende Perspektiven für die großflächige Datenspeicherung und bietet gleichzeitig eine personalisierbare und zugängliche Lösung. Die Arbeit von Zhang und seinem Team markiert einen bedeutenden Schritt hin zur Nutzung der DNA als Datenspeichermedium, mit potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen, von der Archivierung bis zur Bioinformatik.
Was ist DNA-Methylierung?
DNA-Methylierung ist ein biochemischer Prozess, bei dem eine Methylgruppe (-CH3) an eine Cytosinbase der DNA angehängt wird. Diese epigenetische Modifikation spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation der Genexpression.
Im Kontext der Datenspeicherung wird die Methylierung verwendet, um Informationen zu kodieren. Jede methylierte oder nicht methylierte Stelle auf der DNA repräsentiert ein Bit an Information, ähnlich dem in der Informatik verwendeten binären System.
Diese Methode ermöglicht es, Daten dicht und stabil zu speichern, während sie gleichzeitig reversibel ist. Die für die Methylierung verantwortlichen Enzyme können kontrolliert werden, um Methylgruppen hinzuzufügen oder zu entfernen, was eine Neubeschreibung der gespeicherten Daten ermöglicht.
Die DNA-Methylierung ist auch ein natürlicher Prozess in Zellen, wo sie zur Zelldifferenzierung und zur Reaktion auf Umweltreize beiträgt. Ihre Verwendung für die Datenspeicherung inspiriert sich also an bestehenden biologischen Mechanismen.
Quelle: Nature