Als Weltneuheit umgeht eine „biologische Kamera“ die Einschränkungen aktueller DNA-Speichermethoden und nutzt lebende Zellen und ihre inhärenten biologischen Mechanismen zur Kodierung und Speicherung von Daten. Dies stellt einen bedeutenden Durchbruch bei der Kodierung und Speicherung von Bildern direkt in der DNA dar und schafft ein neues Modell für die Informationsspeicherung, das an eine Digitalkamera erinnert.
Unter der Leitung von Principal Investigator Associate Professor Chueh Loo Poh vom College of Design and Engineering der National University of Singapore und der NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI) hat das Team Erkenntnisse gewonnen, die möglicherweise die Datenspeicherung auf den Kopf stellen könnten Industrie, wurden veröffentlicht in Naturkommunikation am 3. Juli 2023.
Ein neues Paradigma zur Bewältigung der globalen Datenüberflutung
Da die Welt weiterhin Daten in einem beispiellosen Tempo generiert, gelten Daten mittlerweile als die „Währung“ des 21. Jahrhunderts. Schätzungsweise 33 ZB im Jahr 2018, Prognosen zufolge wird die globale Datensphäre bis 2025 175 ZB erreichen. Dies hat die Suche nach einer Speicheralternative ausgelöst, die die Grenzen der herkömmlichen Datenspeicherung überwinden und die Umweltauswirkungen ressourcenintensiver Daten berücksichtigen kann Daten Center.
Erst vor kurzem hat die Idee, DNA zum Speichern anderer Arten von Informationen wie Bildern und Videos zu verwenden, Aufmerksamkeit erregt. Dies ist auf die außergewöhnliche Speicherkapazität, Stabilität und langjährige Relevanz der DNA als Medium zur Informationsspeicherung zurückzuführen.
„Wir stehen vor einer drohenden Datenüberflutung. DNA, das wichtigste Biomaterial jedes Lebewesens auf der Erde, speichert genetische Informationen, die für eine Reihe von Proteinen kodieren, die für verschiedene Lebensfunktionen verantwortlich sind. Um es ins rechte Licht zu rücken: Ein einziges Gramm DNA kann enthalten.“ über 215.000 Terabyte an Daten – das entspricht der Speicherung von 45 Millionen DVDs zusammen“, sagte Poh.
„DNA lässt sich auch mit aktuellen molekularbiologischen Werkzeugen leicht manipulieren, kann in verschiedenen Formen bei Raumtemperatur gelagert werden und ist so langlebig, dass sie Jahrhunderte überdauern kann“, sagt Cheng Kai Lim, ein Doktorand, der bei Poh arbeitet.
Trotz ihres immensen Potenzials konzentriert sich die aktuelle Forschung im Bereich der DNA-Speicherung auf die Synthese von DNA-Strängen außerhalb der Zellen. Dieses Verfahren ist teuer und erfordert komplexe Instrumente, die zudem fehleranfällig sind.
Um diesen Engpass zu überwinden, griffen Poh und sein Team auf lebende Zellen zurück, die eine Fülle von DNA enthalten, die als „Datenbank“ fungieren kann, wodurch die Notwendigkeit einer externen Synthese des genetischen Materials umgangen wird.
Durch puren Einfallsreichtum und clevere Technik entwickelte das Team „BacCam“ – ein neuartiges System, das verschiedene biologische und digitale Techniken vereint, um die Funktionen einer Digitalkamera mithilfe biologischer Komponenten zu emulieren.
„Stellen Sie sich die DNA in einer Zelle als einen unentwickelten fotografischen Film vor“, erklärte Poh. „Mithilfe der Optogenetik – einer Technik, die die Aktivität von Zellen mit Licht steuert, ähnlich dem Verschlussmechanismus einer Kamera – ist es uns gelungen, ‚Bilder‘ einzufangen, indem wir Lichtsignale in den DNA-‚Film‘ einprägten.“
Bildnachweis: National University of Singapore
Anschließend markierten die Forscher die aufgenommenen Bilder mithilfe von Barcode-Techniken, die der Fotobeschriftung ähneln, zur eindeutigen Identifizierung. Zur Organisation, Sortierung und Rekonstruktion der gespeicherten Bilder wurden maschinelle Lernalgorithmen eingesetzt. Diese stellen die „biologische Kamera“ dar und spiegeln die Datenerfassungs-, Speicher- und Abrufprozesse einer Digitalkamera wider.
Die Studie zeigte die Fähigkeit der Kamera, mehrere Bilder gleichzeitig mit unterschiedlichen Lichtfarben aufzunehmen und zu speichern. Noch wichtiger ist, dass das innovative System des Teams im Vergleich zu früheren Methoden der DNA-Datenspeicherung leicht reproduzierbar und skalierbar ist.
„Da wir die Grenzen der DNA-Datenspeicherung erweitern, besteht ein zunehmendes Interesse daran, die Schnittstelle zwischen biologischen und digitalen Systemen zu überbrücken“, sagte Poh.
„Unsere Methode stellt einen wichtigen Meilenstein bei der Integration biologischer Systeme mit digitalen Geräten dar. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit von DNA und optogenetischen Schaltkreisen haben wir die erste „lebende Digitalkamera“ geschaffen, die einen kostengünstigen und effizienten Ansatz zur DNA-Datenspeicherung bietet. Unsere Arbeit erforscht nicht nur weitere Anwendungen der DNA-Datenspeicherung, sondern überarbeitet auch bestehende Datenerfassungstechnologien in einen biologischen Rahmen. Wir hoffen, dass dies den Grundstein für weitere Innovationen bei der Aufzeichnung und Speicherung von Informationen legen wird.“
Mehr Informationen:
Cheng Kai Lim et al., Eine biologische Kamera, die Bilder direkt in der DNA erfasst und speichert, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38876-w