Voll funktionsfähige DNA-basierte Datenspeicherung dank jüngstem Durchbruch möglich

In der heutigen hyperdigitalen Welt ist jedes Unternehmen auf Daten angewiesen. Die Menge an Unternehmensdaten wächst rapide, insbesondere mit dem Aufkommen fortschrittlicher Technologien wie Datenanalyse, dem Internet der Dinge (IoT) und KI, die beide massive Datenmengen erzeugen und nutzen.

Diese Daten sind potenziell wichtig, und es ist jetzt mehr denn je entscheidend, sie effizient, zuverlässig und sicher zu schützen. Um Daten zu speichern, benötigen Sie Speicherlösungen, die den Zugriff, die Organisation, das Management, das Teilen und die Nutzung wichtiger Informationen effektiv ermöglichen.

Obwohl Ihr Computer über Speicherkapazität verfügt, ist diese begrenzt und an ein Gerät gebunden, sodass sie nur genutzt werden kann, solange das Gerät eingeschaltet ist und bis sie gelöscht wird. Um Ihre Daten langfristig zu speichern, benötigen Sie Datenspeicherlösungen.

Die Speichermedien werden hauptsächlich in zwei Gruppen unterteilt:

• Direkter Bereichsspeicher (DAS)
• Netzwerkbasierter Speicher

DAS ist direkt mit dem zugreifenden Computersystem verbunden und kann zwar ordentliche lokale Backup-Dienste bieten, jedoch ist das Teilen eher eingeschränkt. Geräte in dieser Kategorie umfassen Disketten, Flash‑Laufwerke und optische Medien wie CDs und DVDs. 

Netzwerkbasierter Speicher ist hingegen die am besten geeignete Option für Datenaustausch und Zusammenarbeit, da er mehreren Computern den Zugriff auf Daten über ein Netzwerk ermöglicht. Netzwerkbasierte Speicherlösungen gibt es hauptsächlich in zwei Varianten: Network‑Attached Storage (NAS) und Storage Area Network (SAN). 

NAS umfasst ein an ein Netzwerk angeschlossenes Gerät. Hier erfolgt die Datenspeicherung und -abfrage von einem zentralen Ort aus. Diese kostengünstige Netzwerk‑Speicheroption ermöglicht es mehreren Benutzern, Dateien über ein TCP/IP‑Netzwerk per WLAN oder Kabel zu speichern und zu teilen.

SAN ist ein spezialisiertes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das gemeinsam genutzte Speicherpools mit mehreren Servern verbindet. Es umfasst verschiedene Geräte, darunter:

Eine Solid‑State‑Disk (SSD) ist ein Festplattentyp, der schneller ist als herkömmliche, die Flash‑Speicher und Flash‑Laufwerke verwenden, also elektronische Optionen, bei denen Daten durch Löschen oder Schreiben aktualisiert werden können. Hybrid‑Speicher hingegen kombiniert verschiedene Speicherarten: Flash‑Speicher, SSDs und mechanische Festplatten (HDDs).

Cloud‑Speicher ist eine weitere kostengünstige und skalierbare Methode, da Daten virtuell gespeichert werden und somit einen Zugriff auf das Internet oder ein privates Netzwerk erfordern. Hybrid‑Cloud‑Speicher nutzt verschiedene Clouds – öffentlich, privat und hybrid – für unterschiedliche Arbeitslasten. 

Entwicklung neuer Technologien zur effizienteren Speicherung digitaler Daten 

Trotz all dieser Optionen sucht die Welt nach effizienteren Lösungen angesichts eines digitalen Universums, das bis 2025 voraussichtlich jährlich etwa 175 Zettabyte an Daten hinzufügen wird. Eine wachsende Gruppe von Forschern setzt sich nun für DNA als stabile und nachhaltige Option ein, um diesen Bedarf zu decken.

Bereits wird DNA für die Datenspeicherung erforscht, befindet sich jedoch noch in den Anfängen, mit einer Marktgröße von nur 70 Millionen $. Es wird jedoch erwartet, dass sie bis 2032 mit einer jährlichen Wachstumsrate von über 80 % expandiert.

DNA‑Datenspeicherung bedeutet genau das, was der Name sagt: digitale Daten in DNA (Desoxyribonukleinsäure) zu speichern, dem Molekül, das genetische Informationen für die Entwicklung und Funktionsweise eines Organismus trägt.

Zur Herstellung von DNA kombinieren vier verschiedene Nukleotide – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) – zu einer Doppelhelixstruktur, bei der zwei verbundene Stränge umeinander gewunden sind.

Beim Speichern von Daten in DNA wird die Binärdaten in synthetische DNA‑Stränge kodiert und anschließend daraus dekodiert. DNA ist für ihre Stabilität, Dichte und Langlebigkeit bekannt. Diese Eigenschaften machen DNA zu einem attraktiven Speichermedium. 

Synthetische DNA hat das Potenzial, um Größenordnungen mehr Daten zu speichern als heutige Geräte und zwar auf eine Weise, die deutlich nachhaltiger ist.

– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager bei Microsoft (MSFT ) Research

Neben der Datenspeicherung wurde DNA auch für das Rechnen erforscht. Seit vielen Jahrzehnten ist DNA‑Computing Gegenstand von Forschung und Entwicklung, da es Vorteile wie Skalierbarkeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz bietet.

Im Jahr 2019 stellten Forscher von Microsoft und der University of Washington das erste vollständig automatisierte System zur Speicherung und zum Abruf von Daten mittels synthetischer DNA vor. Dabei wurde das Wort „hello“ in den Molekülen der im Labor hergestellten synthetischen DNA kodiert und anschließend wieder zurückkonvertiert.

Neueste Durchbrüche im molekularen Computing deuten darauf hin, dass wir in naher Zukunft ganze Computernetzwerke in lebenden Zellen betreiben könnten. Während DNA‑Speicherung bereits seit einiger Zeit existiert, zeigt die neue Studie den ersten funktionalen molekularen Computer, der sowohl Speicherung als auch Berechnung über DNA ermöglicht, anstatt Elektrizität zu nutzen.

Anfang dieses Jahres fanden Ingenieure der University of Minnesota und des Rochester Institute of Technology (RIT) einen Weg, Daten, die in DNA gespeichert sind, zu verarbeiten. Dieser „mikrofluidische integrierte Schaltkreis“ ist dafür konzipiert, mittels künstlicher neuronaler Netzwerkberechnungen auf in DNA gespeicherten Daten zu arbeiten. Laut Mitautor des Papiers Amlan Ganguly:

Wir befinden uns im Zeitalter von Big Data, das irgendwo gespeichert werden muss.

Er bemerkte zudem, dass der Bau weiterer Rechenzentren keine Lösung sei, da jedes Zentrum Bau, Wartung und Betrieb erfordert, was nicht nachhaltig ist.

Diese Studie schlug vor, Zahlen durch die Konzentrationen von Lösungen zu repräsentieren, die speziell manipulierte DNA‑Moleküle enthalten. Diese Manipulation würde Rechenoperationen wie Addition, Multiplikation und andere nichtlineare Funktionen darstellen, die für Netzwerkberechnungen erforderlich sind.

Vor ein paar Jahren zeigten Mark Bathe, ein MIT‑Professor für Biologische Ingenieurwissenschaften, und seine Kollegen ebenfalls eine Methode, die gewünschte Datei aus einer Mischung vieler DNA‑Stücke herauszupicken. Dazu verkapselten die Forscher jede Datendatei in ein 6 µm‑Siliziumpartikel, das mit kurzen DNA‑Sequenzen gekennzeichnet war, die den Inhalt offenbaren.

Quelle: MIT News

Im Hinblick auf das enorme Potenzial von DNA, den steigenden Anforderungen an die Speicherung riesiger Datenmengen gerecht zu werden, bemerkte Bathe, dass DNA nach ihrer Erstellung keinerlei Energie verbraucht. Man schreibt die DNA einfach und lagert sie unbegrenzt.

Forscher haben sogar vorgeschlagen, die Stabilität und Haltbarkeit von DNA zu nutzen, um digitale Daten zu kodieren und so digitale Vermögenswerte zu sichern und zu schützen.

Weitere Forscher und Organisationen untersuchen das Potenzial von DNA für die Datenspeicherung und -berechnung. Der globale Markt für Datenspeicherung liegt derzeit bei $217 Mrd. und wird voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts auf beeindruckende $777,98 Mrd. anwachsen.

DNA‑basiertes Computing‑Durchbruch revolutioniert die Datenspeicherung

In der neuesten Studie, veröffentlicht in Nature, zeigten Forscher der Johns Hopkins University und der North Carolina State University eine Technologie mit Speicher‑ und Rechenfunktionen, die DNA anstelle von Elektronik nutzt.

Diese Technologie kann Daten wiederholt speichern, abrufen, berechnen, löschen oder neu schreiben. Während frühere DNA‑Speicher‑ und Computing‑Technologien einige dieser Aufgaben erledigen konnten, waren sie nicht in der Lage, alle zu vollziehen.

In konventionellen Computertechnologien gehen wir davon aus, dass die Art und Weise, wie Daten gespeichert werden, und die Art und Weise, wie Daten verarbeitet werden, miteinander kompatibel sind.

– Albert Keung, Studienleiter und außerordentlicher Professor für Chemie‑ und Biomolekulartechnik an der NC State

Er fügte hinzu:

Aber in Wirklichkeit werden Datenspeicherung und Datenverarbeitung in getrennten Teilen des Computers durchgeführt, und moderne Computer sind ein Netzwerk komplexer Technologien.

Da DNA‑basierte Daten in Form von Nukleinsäuren gespeichert werden, hat das DNA‑Computing Schwierigkeiten damit, sie zu speichern, abzurufen und zu verarbeiten.

Was das elektronische Computing attraktiv macht, ist, dass alle Komponenten eines Geräts kompatibel sind. Bei DNA‑Datenspeicherung ist das jedoch nicht der Fall. Obwohl DNA‑basierte Datenspeicherung langfristige Vorteile bietet, wird angenommen, dass die Entwicklung einer DNA‑Technologie, die das gesamte Spektrum an Operationen traditioneller elektronischer Geräte abdeckt, entweder schwierig oder unmöglich zu realisieren ist.

Jetzt zeigt die neueste Studie, dass diese DNA‑basierten Technologien tatsächlich „machbar sind, weil wir eine geschaffen haben“.

Dies wurde mit Hilfe neuer Techniken erreicht, die die Herstellung weicher Polymermaterialien mit einzigartigen Morphologien ermöglicht haben. Laut dem ko‑korrespondierenden Autor des Papiers, Orlin Velev:

Konkret haben wir Polymerstrukturen geschaffen, die wir Dendricolloide nennen – sie beginnen im Mikrometer‑Bereich und verzweigen sich hierarchisch, um ein Netzwerk nanoskaliger Fasern zu bilden.

Im Jahr 2019 zeigte die Forschung der North Carolina State University, dass verschiedene Polymere, die unter speziellen Bedingungen aus Lösungen ausfallen, einzigartige, weiche dendritische Partikelmaterialien mit ausgeprägten Haft‑ (ähnlich den Füßen von Geckos, die an fast jeder Oberfläche haften) und strukturbildenden Eigenschaften erzeugen können.

Damals berichtete Velev, dass er mittels „flüssiger“ Nanofertigung Polymere nach deren Auflösung und schnellem Mischen mit einer anderen Flüssigkeit in verzweigte Partikel umwandelte. Dieses schnelle Mischen in turbulenter Strömung, ein inhärent chaotischer Prozess, erzeugte verzweigte Partikel in hierarchischen Strukturen.

Die NC State reichte zudem ein Patent für die weichen dendritischen Materialien sowie das Herstellungsverfahren ein.

Für die DNA‑Speicherlösungsstudie hat die geschaffene Struktur eine hohe Oberfläche, die es den Forschern ermöglicht, DNA zwischen den Nanofibrillen zu deponieren. Dies wurde erreicht, ohne die Datendichte zu opfern, was DNA als attraktives Speichermedium macht.

Man könnte Daten im Umfang von tausend Laptops in DNA‑basierten Speicher legen, der die Größe eines Radiergummis hat.

– Keung

Der Erstautor des Papiers, Kevin Lin, ehemaliger Doktorand an der NC State, erklärte, dass die Möglichkeit, zwischen DNA‑Information und den Nanofasern, auf denen sie gespeichert ist, zu unterscheiden, viele der gleichen Funktionen ermöglicht, die man mit elektronischen Geräten ausführen kann.

Laut ihm kann die DNA‑Information direkt von der Materialoberfläche kopiert werden, ohne die DNA selbst zu beschädigen. Neben der Möglichkeit, gezielte DNA‑Stücke zu löschen und anschließend wieder auf derselben Oberfläche zu schreiben, stellte die Studie fest, dass das Aufbringen von DNA auf das dendricolloide Material die DNA tatsächlich besser konserviert.

Velev bemerkte, dass sie mit der Studie „das Äquivalent zu Mikroschaltungen bereitstellen“ und das dendricolloide Material die Leiterplatte liefert.

Diese neue DNA‑basierte Speicher‑ und Computing‑Technologie, genannt „primordiale DNA‑Speicher‑ und Rechen‑Engine“, ist zudem in der Lage, einfache Sudoku‑ und 3 × 3‑Schachprobleme zu lösen. Tests deuten darauf hin, dass die Technologie Daten sicher für Tausende von Jahren speichern könnte. Darüber hinaus ist „das dendrokolloidale Wirtsmaterial selbst relativ kostengünstig und einfach herzustellen“, so Velev.

Unternehmen, die an DNA‑Datenspeicherung und -Computing beteiligt sind 

Angesichts der Bedeutung von Daten und des Bedarfs an effizienteren Lösungen untersuchen mehrere Unternehmen DNA‑Datenspeicherung, Computing und molekulare Technologien. Beispielsweise bietet Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) umfassende Lösungen für DNA‑Sequenzierung und Molekularbiologie, während Agilent Technologies (A ) (A) sich auf DNA‑basierte Technologien konzentriert und Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) sich auf Long‑Read‑Sequenzierungstechnologie spezialisiert hat. Dann gibt es Helixworks Technologies, das ein programmierbares DNA‑Datenspeichermaterial entwickelt hat, um Datenfiles oder kleine Anwendungen direkt in die molekulare Struktur eines Objekts zu kodieren.

Nun werfen wir einen genaueren Blick auf zwei prominente Namen in diesem Bereich. Beide Unternehmen haben zusammen mit Microsoft, Western Digital (WDC ) und mehreren anderen Mitgliedsinstitutionen die DNA Data Storage (DTST ) Alliance gegründet. Die Allianz zielt darauf ab, dem Wachstum digitaler Daten zu begegnen, indem sie eine kostengünstige, nachhaltige Archivspeicherlösung auf DNA‑Basis bereitstellt und deren frühe Kommerzialisierung erforscht.

#1. Twist Bioscience Corporation 

Dieses Unternehmen ist auf synthetische DNA spezialisiert und legt einen starken Fokus auf DNA‑Datenspeichertechnologien. Mit einer Marktkapitalisierung von 2,57 Milliarden $, handeln die Aktien von Twist Bioscience (TWST ) derzeit bei 43,98 $, ein Anstieg von 19,32 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -3,81 und das KGV (TTM) -11,53.

Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 75,3 Millionen $, was einem Anstieg von 25 % gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres entspricht. Die Bruttomarge stieg ebenfalls auf 41 % gegenüber 31 %. In diesem Zeitraum wurden etwa 193.000 Gene versendet. 293,3 Millionen $ wurden in bar, barähnlichen Mitteln und kurzfristigen Investitionen gemeldet.

Wir bleiben standhaft und fokussiert auf unserem Weg zur Rentabilität.

– CEO und Mitbegründerin Emily M. Leproust, Ph.D.

#2. Illumina

Dieses Unternehmen ist führend im Bereich Sequenzierung und array‑basierter Lösungen, die für die DNA‑Datenverarbeitung und -speicherung unerlässlich sind. Mit einer Marktkapitalisierung von 20,77 Milliarden $, handeln die Aktien von Illumina derzeit bei 130,42 $, ein Rückgang von 6,33 % im Jahresverlauf. Das EPS (TTM) beträgt -19,18 und das KGV (TTM) -6,80.

Für das 2. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Umsatz von 1,09 Milliarden $, ein Rückgang von 6 % gegenüber dem 2. Quartal 2023. Die GAAP‑Operative Marge betrug 40,5 % und die Non‑GAAP‑Operative Marge 22,2 %. Am Quartalsende wurden 994 Millionen $ in bar, barähnlichen Mitteln und kurzfristigen Investitionen gehalten.

Das Illumina‑Team lieferte im Quartal Ergebnisse, die unsere Erwartungen übertrafen, angetrieben durch disziplinierte Umsetzung unserer strategischen Prioritäten.

– CEO Jacob Thaysen

Fazit

Die zunehmende Digitalisierung der Welt bedeutet, dass digitale Daten ein exponentielles Wachstum erleben werden. Diese Datenexplosion wird die Kapazität bestehender Speichertechnologien bei weitem übersteigen und den Bedarf an neuen Lösungen wie DNA‑Speicherung antreiben.

Wie die neue Studie zeigte, ermöglichen fortlaufende Durchbrüche die Realisierung einer vollständigen Palette von Speicher‑ und Rechenfunktionen. Diese Vorgänge umfassen das Speichern von Daten, das Verschieben von Daten sowie die Fähigkeit, bestimmte Datenfiles zu lesen, neu zu schreiben, zu löschen, neu zu laden oder zu berechnen – alles programmierbar und wiederholbar, ohne die DNA zu degradieren.

DNA, ein bemerkenswertes Molekül, das in jeder lebenden Zelle vorkommt, bietet extrem hohe Dichte und ist damit die perfekte Langzeitspeicherlösung (nicht nur für Hunderte, sondern für Tausende von Jahren). Dies weist auf ihr enormes Potenzial hin, die Welt der Speicherung und des Rechnens zu transformieren.

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