Synthetische DNA als Massendatenspeicher der Zukunft

Traditionelle Speicherlösungen geraten angesichts der weltweit stetig wachsenden Datenflut an ihre Grenzen. Im Projekt BIOSYNTH entwickeln drei Fraunhofer-Institute eine Mikrochip-Plattform für künftige Massendatenspeicher aus synthetischer DNA.

Wie die Forschenden das hochdurchsatzfähige, modulare System zur Synthese von DNA, RNA und Peptiden zudem für biologische Anwendungen wie das Schadstoff-Screening oder die Entwicklung von Wirkstoffen nutzen wollen, erläutert Dr. Uwe Vogel, Projektkoordinator und Leiter der Abteilung Mikrodisplays und Sensoren am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS.

Großer Bedarf an alternativen Speicherlösungen

Nach Schätzung von Markforschungsinstituten wird die weltweit generierte Datenmenge bis 2027 auf 284 Zettabyte steigen. Doch der global auf allen Speichermedien verfügbare Speicherplatz wächst langsamer als die Gesamtmenge aller Daten. Daher besteht vor allem für Daten, die langfristig gespeichert und vorgehalten werden müssen, auf die aber nur sehr selten zugegriffen wird, der Bedarf einer platzsparenden, preiswerten, ressourceneffizienten, wenig Strom verbrauchenden Archivierung in hoher Komprimierung.

Vorteil synthetischer DNA als Basis für Speichermedien

Das Erbmolekül DNA kann auf sehr kleinem Raum sehr viele Informationen über lange Zeiträume speichern. Neben genomischen Informationen lässt sich DNA auch zum Sichern von binären Daten nutzen. Der DNA-Datenspeicher wird allerdings nicht der Natur entnommen, sondern synthetisch im Labor hergestellt - durch das Schreiben von DNA auf Mikrochips. Die am Projekt BIOSYNTH beteiligten Fraunhofer-Institute sehen in den biologischen Massendatenspeichern eine große Chance für die ressourcenschonende, platzsparende Langzeitarchivierung von Daten.

DNA als Datenspeicher verwenden

Bei der digitalen Datenspeicherung auf DNA-Basis werden binäre Daten in synthetisierte DNA-Stränge kodiert. Dies findet digital statt. Die DNA besteht aus den Grundbausteinen Guanin (G), Thymin (T), Cytosin (C) und Adenin (A) - sogenannte Nukleinbasen. Der binäre Code aus Nullen und Einsen wird also in eine Sequenz der Nukleotide A, C, G und T übersetzt und in einen künstlichen DNA-Strang umgewandelt. Allerdings können beim Synthese-/Schreibprozess Fehler entstehen. Mithilfe von On-Chip-Monitoring und eigens entwickelten Algorithmen und Codes können eine gewisse Anzahl Schreibfehler toleriert werden und dennoch die zu schreibende Information fehlerfrei darin abgebildet werden.

Wie gelingt es, die Speicherdichte zu erhöhen?

Da die mikrobiologische Synthese in der Vergangenheit ineffizient und ressourcenintensiv war und es an einer Hochdurchsatz-Technologie fehlte - insbesondere für lange Molekül-Segmente - wird eine Plattform basierend auf Mikrochip-Fertigungstechniken entwickelt, die eine drastische Reduzierung der individuellen Probenvolumina, der Anzahl an miniaturisierten Reaktorzellen je Chip sowie der CMOS-Chip-integrierten, für jede einzelne Reaktorzelle individuell adressierbare Ansteuerung ermöglicht.

Die Mikrochip-Plattform ist eine Kombination aus CMOS-integrierter Steuerelektronik, miniaturisierten Reaktionszellen, Mikroheizern, OLED-Dots sowie Photodioden auf Mikrometer-Niveau. Sie ermöglicht eine thermische Synthese der biologischen Moleküle mit nachgeschaltetem optischem Monitoring.

Für die Synthese mit optischem Monitoring wurden Silizium-basierte Mikrochips mit mikroskopisch kleinen Reaktionszellen bestückt. Jede Reaktionszelle fungiert quasi als Mini-Bioreaktor. Algorithmen entscheiden, welche der Reaktionszellen aktiviert werden müssen, um ein bestimmtes Molekül zu erzeugen. Steuersignale übertragen die entsprechende Information. Winzige, in den Chip integrierte Heizelemente versorgen jede Reaktionszelle thermisch, beheizen sie also und unterstützen so die Synthese mikrobiologischer Moleküle wie DNA, RNA oder Peptide.

Jede Reaktionszelle ist mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) sowie Photodetektoren ausgestattet, die diesen Prozess überwachen und das Monitoring übernehmen. Über die OLED erfolgt eine optische Anregung. Eine räumlich zugeordnete Photodiode erfasst für jeden Bioreaktor eine Antwort, ob die Reaktion erfolgreich stattgefunden hat. Implementierte Algorithmen und Kodierungen erlauben eine Fehlertoleranz des biologischen Reaktionsprozesses.

Die portable und energiearme Plattform soll in Zukunft die derzeit großen, teils raumfüllenden Synthese-Systeme ersetzen. So wird die kommerzielle biologisch basierte Datenspeicherung ermöglicht. Mit der Mikrochip-Plattform zum Schreiben von softwaredefinierten Nukleotidsequenzen (DNA, RNA oder Peptide) soll durch die Nutzung von Hochintegration sowie Serienfertigungsprozessen der Mikroelektronik zu Hochdurchsatz gelangt werden - immer unter der Voraussetzung, energiearm und kostengünstig zu produzieren.

Weitere Anwendungen für die Mikrochip-Plattform

Langfristiges Ziel ist es, die DNA als Massendatenspeicher zu nutzen. In naher Zukunft sollen Anwendungen z.B. in der Biologie, der Biochemie, der Öko- und Lebensmitteltechnologie, im Bio-Computing und in der personalisierten Medizin adressiert werden. Beispielsweise sollen die künstlich hergestellten biologischen Systeme bzw. Moleküle genutzt werden, um die Auswirkungen von Substanzen und Schadstoffen aus der Umwelt oder der Landwirtschaft auf den menschlichen Körper frühzeitig zu erkennen, zu testen und zu analysieren - oder auch zu beeinflussen, z.B. für eine gezielte, individuell angepasste therapeutische Wirkung.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM)