von Michael Vogel
Filme, Musik, medizinische Aufnahmen oder Dokumente und Ergebnisse wissenschaftlicher Experimente: Überall fallen riesige Mengen von Daten an. Inzwischen werden im weltweiten Schnitt jährlich mehr als 1,25 Terabyte an Daten pro Kopf der Bevölkerung erzeugt, Tendenz: rapide steigend. Und ein Ende dieser Entwicklung ist nicht abzusehen: Das internationale Marktforschungsunternehmen IDC prognostiziert für 2025 einen Speicherbedarf in der Größenordnung von 17,5 Terabyte pro Kopf.
Die enorme Datenflut ist eine große Herausforderung für klassische Speichermedien, wie das Beispiel der Flash-Speicher verdeutlicht. Sie horten digitale Daten in Halbleiter-Transistoren und haben eine sehr hohe Speicherdichte. Deshalb fassen sie – etwa als Speicherkarten in Smartphones – große Datenmengen auf relativ wenig Raum. Dennoch benötigen Flash-Speicher aus physikalischen Gründen für ein Bit – die kleinste Informationseinheit – Platz in der Größenordnung eines Würfels mit mindestens zehn Nanometer (milliardstel Meter) Kantenlänge. Noch dichter lassen sich die Daten mit dieser Technik nicht packen. Sonst würden sich unerwünschte Quanteneffekte bemerkbar machen und eine zuverlässige Funktion des Speichermediums aus halbleitenden Materialien verhindern.
Ein tausendstel Kubiknanometer je Bit
Allerdings zeigt die Natur, dass es auf andere Weise doch geht: In der DNA, dem Träger des Erbguts eines Lebewesens, erfordert ein Bit nur Platz in der Größenordnung eines Würfels mit einer Seitenlänge von etwa einem Zehntel Nanometer. Anders formuliert: Ein Gramm DNA könnte eine Datenmenge speichern, für die mehr als 1000 Tonnen Flash-Speicher erforderlich wären. Dies erklärt das große Interesse an der biologischen Speichertechnik, beispielsweise bei der IARPA, einer US-amerikanischen Behörde, die den nationalen Geheimdiensten untersteht. Sie finanziert vor allem Hochrisikoforschung – und seit Anfang 2020 zudem die Entwicklung von Techniken, die einen kommerziell einsetzbaren DNA-Speicher zum Ziel haben. Und die IARPA ist nicht der einzige Geldgeber in den USA, der die Grundlagenforschung an solchen Speichern fördert.
Das Speicherprinzip beruht auf der Kodierung von digitalen Daten in künstlich hergestellter DNA. Die Nullen und Einsen werden dazu nach einem definierten Schema in Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin übersetzt. Diese vier Nukleinbasen, repräsentiert durch die Buchstaben A, T, G und C, sind maßgeblich für die Informationsspeicherung im Erbgut-Trägermaterial. Physisch besteht ein solches Speichermedium aus synthetisierten DNA-Schnipseln, von denen jedes ungefähr 100 Nukleinbasen umfasst. Um die gespeicherten Daten zu erfassen, werden die DNA-Schnipsel sequenziert, also Schritt für Schritt ausgelesen – mit denselben Techniken, mit denen sich auch das Erbgut analysieren lässt. Die ausgelesene Abfolge der Buchstaben wird dann wieder in Nullen und Einsen übersetzt.
