DNA-Technologie bietet erstmals sowohl Datenspeicher- als auch Rechenfunktionen

Forscher der North Carolina State University und der Johns Hopkins University haben eine Technologie vorgestellt, die eine Reihe von Datenspeicher- und Rechenfunktionen ermöglicht – wiederholtes Speichern, Abrufen, Berechnen, Löschen oder Neuschreiben von Daten – und dabei DNA statt herkömmlicher Elektronik verwendet. Bisherige DNA-Datenspeicher- und Rechentechnologien konnten einige, aber nicht alle dieser Aufgaben erfüllen.

Das Papier mit dem Titel „Ein primordialer DNA-Speicher und eine Rechenmaschine“ erscheint im Journal Natur Nanotechnologie.

„Bei herkömmlichen Computertechnologien setzen wir voraus, dass die Art und Weise, wie Daten gespeichert und verarbeitet werden, miteinander kompatibel ist“, sagt Projektleiter Albert Keung, Mitautor eines Artikels über die Arbeit.

„Aber in Wirklichkeit erfolgen Datenspeicherung und Datenverarbeitung in getrennten Teilen des Computers, und moderne Computer sind ein Netzwerk komplexer Technologien.“ Keung ist außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik und Goodnight Distinguished Scholar an der North Carolina State University.

„Die DNA-Computertechnik setzt sich mit der Herausforderung auseinander, wie Daten in Form von Nukleinsäuren gespeichert, abgerufen und berechnet werden können“, sagt Keung.

„Für die elektronische Datenverarbeitung ist die Tatsache, dass alle Komponenten eines Geräts kompatibel sind, ein Grund, warum diese Technologien attraktiv sind. Bislang ging man jedoch davon aus, dass die DNA-Datenspeicherung zwar für die langfristige Datenspeicherung nützlich sein könnte, es jedoch schwierig oder unmöglich wäre, eine DNA-Technologie zu entwickeln, die die gesamte Bandbreite der Funktionen herkömmlicher elektronischer Geräte umfasst: Speichern und Verschieben von Daten; die Fähigkeit, bestimmte Datendateien zu lesen, zu löschen, neu zu schreiben, neu zu laden oder zu berechnen; und all diese Dinge auf programmierbare und wiederholbare Weise auszuführen.

„Wir haben gezeigt, dass diese DNA-basierten Technologien realisierbar sind, weil wir eine solche entwickelt haben.“

Möglich wird die neue Technologie durch aktuelle Techniken, welche die Herstellung weicher Polymermaterialien mit einzigartiger Morphologie ermöglichen.

„Konkret haben wir Polymerstrukturen geschaffen, die wir Dendrikolloide nennen – sie beginnen auf der Mikroebene, verzweigen sich aber hierarchisch voneinander und bilden so ein Netzwerk aus Fasern im Nanomaßstab“, sagt Orlin Velev, Mitautor und S. Frank and Doris Culberson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering an der NC State.

„Diese Morphologie erzeugt eine Struktur mit großer Oberfläche, die es uns ermöglicht, DNA zwischen den Nanofibrillen abzulagern, ohne die Datendichte zu beeinträchtigen, die DNA überhaupt erst für die Datenspeicherung attraktiv macht.“

„Man könnte die Daten von tausend Laptops auf einem DNA-basierten Speicher unterbringen, der so groß ist wie ein Radiergummi“, sagt Keung.

„Die Fähigkeit, DNA-Informationen von den Nanofasern zu unterscheiden, auf denen sie gespeichert sind, ermöglicht es uns, viele der gleichen Funktionen auszuführen, die wir mit elektronischen Geräten ausführen können“, sagt Kevin Lin, Erstautor des Artikels und ehemaliger Doktorand an der NC State.

„Wir können DNA-Informationen direkt von der Oberfläche des Materials kopieren, ohne die DNA zu beschädigen. Wir können auch gezielt DNA-Stücke löschen und dann auf dieselbe Oberfläche neu schreiben, so wie wir auf der Festplatte gespeicherte Informationen löschen und neu schreiben. Im Wesentlichen können wir damit die gesamte Bandbreite der DNA-Datenspeicherung und Computerfunktionen ausführen. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass das Material zur Konservierung der DNA beiträgt, wenn wir DNA auf dem dendrikolloiden Material ablagern.“

„Man könnte sagen, dass Keungs Team das Äquivalent von Mikroschaltkreisen liefert und das dendrikolloidale Material, das mein Team herstellt, die Leiterplatte liefert“, sagt Velev.

„Unsere NC State-Mitarbeiterin Adriana San Miguel hat uns geholfen, die Materialien in mikrofluidische Kanäle zu integrieren, die den Fluss von Nukleinsäuren und Reagenzien steuern, sodass wir Daten verschieben und Computerbefehle initiieren können. Das Labor von Winston Timp an der Johns Hopkins steuerte sein Fachwissen zur Nanoporensequenzierung bei, mit dem wir die Daten in RNA direkt lesen können, nachdem wir sie von der DNA auf der Materialoberfläche kopiert haben. Und das Labor von James Tuck – ebenfalls hier an der NC State – hat Algorithmen entwickelt, mit denen wir Daten in Nukleinsäuresequenzen und umgekehrt umwandeln und dabei potenzielle Fehler kontrollieren können.“

Die Forscher haben gezeigt, dass die neue Datenspeicher- und Computertechnologie – die sie als „primordialen DNA-Speicher und Rechenmaschine“ bezeichnen – in der Lage ist, einfache Sudoku- und Schachprobleme zu lösen. Tests deuten darauf hin, dass sie Daten Tausende von Jahren lang in kommerziell verfügbaren Räumen sicher speichern könnte, ohne die informationsspeichernde DNA zu beschädigen.

„Darüber hinaus ist das dendrokolloidale Wirtsmaterial selbst relativ preiswert und einfach herzustellen“, sagt Velev.

„Die molekulare Datenspeicherung und -berechnung ist sehr aufregend, aber es gibt erhebliche Zweifel an der Praxistauglichkeit dieses Bereichs“, sagt Keung. „Wir haben uns die Geschichte der Computertechnik angesehen und wie die Erfindung des ENIAC diesen Bereich inspiriert hat. Wir wollten etwas entwickeln, das den Bereich der molekularen Berechnung inspiriert. Und wir hoffen, dass das, was wir hier getan haben, ein Schritt in diese Richtung ist.“

Mitautoren des Artikels sind Kevin Volkel und Andrew Clark, ehemalige Doktoranden der NC State; Cyrus Cao und Rachel Polak, Doktoranden der NC State; Adriana San Miguel, außerordentliche Professorin für chemische und biomolekulare Technik der NC State; James Tuck, Professor für Elektro- und Computertechnik der NC State; Winston Timp, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Johns Hopkins University; und Paul Hook, Postdoktorand an der Johns Hopkins.