Mit DNA zur nachhaltigen Datenspeicherung: Paderborner Wissenschaftler leiten internationales Forschungsprojekt

Die Menge an Daten, die die Menschheit produziert und speichert, steigt permanent. Laut Prognosen soll das weltweite Datenvolumen im Jahr 2025 ganze 250 Zettabytes – das sind 250 Milliarden Terabytes – betragen. Speichertechnologien wie Festplattenlaufwerke sind durch ihre Kurzlebigkeit nicht nur sehr kostspielig, sondern erzeugen auch erhebliche Mengen an Elektromüll. Mithilfe von DNA-Nanotechnologie wollen Wissenschaftler der Universität Paderborn nun ein neuartiges, zukunftssicheres Speichermedium entwickeln.

Die Europäische Union und die britische Förderorganisation „United Kingdom Research and Innovation“ fördern den internationalen Forschungsverbund im Rahmen des „Horizon Europe“ Programms mit insgesamt 3,8 Millionen Euro. Dass DNA-basierte Datenspeicherung außerhalb von lebenden Organismen möglich ist, wurde bereits durch mehrere Studien nachgewiesen. Sie ist besonders vielversprechend, da DNA mehrere hundert Jahre lang haltbar ist und über große Kapazitäten verfügt. Die bisherige Methode ist jedoch noch zu langsam und teuer, um großflächig Anwendung zu finden. „Wir glauben, dass dafür ein anderer Ansatz erforderlich ist. Deshalb stützen wir uns nicht auf DNA-Synthese, sondern verwenden DNA-Nanostrukturen mit molekularen Erhebungen zum Speichern von Daten – ähnlich wie bei einer Compact Disc“, erklärt PD Dr. Adrian Keller, Leiter der Arbeitsgruppe „Nanobiomaterialien“ an der Universität Paderborn.

Baukastenprinzip mit DNA-Nanostrukturen

DNA-Nanostrukturen sind mikroskopisch kleine, komplexe Geflechte aus DNA-Strängen, die gezielt in beliebige Strukturen gefaltet wurden. Keller erforscht diese Technologie bereits im Rahmen seines Projekts „DNA-basierte Nanoantibiotika zur Bekämpfung resistenter Keime“, für das er 2022 mit dem Forschungspreis der Universität Paderborn ausgezeichnet worden ist. „Wir wollen die DNA-Nanostrukturen wie ein Steckbrett benutzen und Streptavidin – ein Protein, das von Bakterien einer bestimmten Spezies produziert wird – an ausgewählten Stellen darauf anbringen. Wenn Streptavidin vorhanden ist, sehen wir das in Mikroskopie-Bildern und können dem Bit eine Eins zuordnen, wenn nicht, eine Null. Durch Nutzung von Verfahren künstlicher Intelligenz wandeln wir das Ganze so in binäre Daten um“, führt Keller weiter aus. Die DNA-Nanostrukturen sollen so jeweils mehrere hundert Bits speichern können.

Der große Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass beliebig viele und verschiedene Nanostrukturen aus einem vordefinierten, kleinen Satz von DNA-Strängen aufgebaut werden können. Somit ist das Verfahren kostengünstig und im großen Maßstab anwendbar. Außerdem wird das Bearbeiten von bereits gespeicherten Informationen ermöglicht. Dem internationalen und fachübergreifenden Konsortium für das Projekt „Next Generation Molecular Data Storage“ (NEO) gehören die Katholische Universität Leuven (Belgien), die Technische Universität Graz (Österreich), das Imperial College London und die Universität Surrey (Großbritannien) an. Die Universität Paderborn hat die Leitung inne.