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Im Jahr 2020 produziert jeder Mensch auf der Welt jede Sekunde etwa 1,7 Megabyte an Daten. In nur einem einzigen Jahr sind das 418 Zettabytes – oder 418 Milliarden Ein-Terabyte-Festplatten.
Derzeit speichern wir Daten als 1er und 0er in magnetischen oder optischen Systemen, die kein Jahrhundert überdauern. In der Zwischenzeit verbrauchen Rechenzentren riesige Mengen an Energie und produzieren einen enormen CO2-Fussabdruck. Einfach ausgedrückt: Die Art und Weise, wie wir unser ständig wachsendes Datenvolumen speichern, ist nicht nachhaltig.
DNA als Datenspeicher
Aber es gibt eine Alternative: die Speicherung von Daten in biologischen Molekülen wie der DNA. In der Natur kodiert, speichert und macht DNA riesige Mengen genetischer Information auf kleinstem Raum lesbar (Zellen, Bakterien, Viren) – und das mit einem hohen Mass an Sicherheit und Reproduzierbarkeit.
Im Vergleich zu herkömmlichen Datenspeichern ist DNA langlebiger und kompakter, kann zehnmal mehr Daten speichern, hat eine millionenfach höhere Speicherdichte und verbraucht 100 Millionen Mal weniger Energie, um die gleiche Datenmenge wie ein Laufwerk zu speichern. Ausserdem wäre ein auf DNA basierendes Datenspeichergerät winzig: In nur vier Gramm DNA können die globalen Daten eines Jahres gespeichert werden.
Aber die Speicherung von Daten mit DNA ist auch mit exorbitanten Kosten, extrem langsamen Schreib- und Lesemechanismen sowie mit Fehleranfälligkeit verbunden.
Rettung durch Nanoporen
Eine Möglichkeit besteht darin, nanogrosse Löcher, Nanoporen genannt, zu verwenden, die Bakterien oft in andere Zellen stanzen, um sie zu zerstören. Die angreifenden Bakterien verwenden spezialisierte Proteine, die als «porenbildende Toxine» bekannt sind, die sich an der Zellmembran einklinken und einen röhrenförmigen Kanal durch die Zellmembran bilden.
In der Biotechnologie werden Nanoporen zum «Abtasten» von Biomolekülen wie DNA oder RNA verwendet. Das Molekül durchläuft die Nanopore wie eine Schnur, die durch Spannung gesteuert wird, und seine verschiedenen Komponenten erzeugen unterschiedliche elektrische Signale (eine «ionische Signatur»), die zu ihrer Identifizierung verwendet werden können. Wegen ihrer hohen Genauigkeit wurden Nanoporen auch zum Lesen von DNA-kodierten Informationen ausprobiert.
Dennoch sind Nanoporen immer noch durch Ausgaben mit niedriger Auflösung begrenzt – ein echtes Problem, wenn Nanoporensysteme jemals zum Speichern und Lesen von Daten verwendet werden sollen.
Aerolysin-Nanoporen
Das Potenzial von Nanoporen inspirierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EPFL-Fakultät für Life Sciences zur Erforschung von Nanoporen, die durch das porenbildende Toxin Aerolysin des Bakteriums Aeromonas hydrophila erzeugt werden. Unter der Leitung von Matteo Dal Peraro an der Fakultät für Life Sciences der EPFL zeigen die Forschenden, dass Aerolysin-Nanoporen für die Entschlüsselung binärer Informationen verwendet werden können.
2019 zeigte Dal Peraros Labor, dass Nanoporen für die Erkennung komplexerer Moleküle wie Proteine verwendet werden können. In dieser Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, schloss sich das Team mit dem Labor von Alexandra Radenovic (EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie) zusammen und passte das Aerolysin an, um Moleküle nachzuweisen, die genau darauf zugeschnitten sind, von dieser Pore gelesen zu werden. Die Technologie wurde zum Patent angemeldet.
Die Moleküle, die als «digitale Polymere» bezeichnet werden, wurden im Labor von Jean-François Lutz am Institut Charles Sadron des CNRS in Strassburg entwickelt. Sie sind eine Kombination aus DNA-Nukleotiden und nichtbiologischen Monomeren, die durch Aerolysin-Nanoporen hindurchgehen und ein elektrisches Signal aussenden, das als «Bit» ausgelesen werden könnte.
Die Forschenden benutzten Aerolysin-Mutanten, um systematisch Nanoporen zum Auslesen von Signalen ihrer Informationspolymere zu entwerfen. Sie optimierten die Durchlaufgeschwindigkeit der Polymere durch die Nanopore, so dass diese ein eindeutig identifizierbares Signal ausgeben kann. «Aber im Gegensatz zu herkömmlichen Nanoporen-Auslesegeräten lieferte dieses Signal eine digitale Auslesung mit Einzelbit-Auflösung und ohne Beeinträchtigung der Informationsdichte», sagt Dr. Chan Cao, Hauptautorin der Studie.
Um die Ausgabesignale zu entschlüsseln, setzte das Team Deep Learning ein, das es ihnen erlaubte, bis zu 4 Bit Information aus den Polymeren mit hoher Genauigkeit zu dekodieren. Sie benutzten den Ansatz auch, um Mischungen von Polymeren blind zu identifizieren und ihre relative Konzentration zu bestimmen.
Das System ist wesentlich kostengünstiger als die Verwendung von DNA zur Datenspeicherung und bietet eine längere Haltbarkeit. Darüber hinaus ist es «miniaturisierbar», was bedeutet, dass es leicht in tragbare Datenspeichergeräte eingebaut werden könnte.
«Wir arbeiten an mehreren Verbesserungen, um diese bio-inspirierte Plattform in ein echtes Produkt zur Datenspeicherung und -abfrage zu verwandeln», sagt Matteo Dal Peraro. «Aber diese Arbeit zeigt deutlich, dass eine biologische Nanopore hybride DNA-Polymer-Analyten lesen kann. Wir sind begeistert, da dies neue vielversprechende Perspektiven für Speicher auf Polymerbasis eröffnet, mit wichtigen Vorteilen für ultrahohe Dichte, Langzeitspeicherung und Geräteportabilität.»