Elektronische Computer und Speichereinheiten werden seit Jahrzehnten immer leistungsfähiger und zugleich kleiner. Dennoch ist die Kapazität elektronischer Technologien für immer weitere Verbesserungen und Miniaturisierungen begrenzt. Seit langem arbeiten Forschende daher an alternativen Ansätzen, die zumindest in der Theorie deutlich bessere Eigenschaften versprechen, darunter Quantencomputer sowie molekulare Technologien auf DNA-Basis. Bisher sind solche Systeme allerdings noch wenig praxistauglich – unter anderem, weil sie zwar klassischen Computern in bestimmten Domänen überlegen sein mögen, aber nicht ihre Vielseitigkeit erreichen.
Grundlegende Fähigkeiten vereint
„Bisher ging man davon aus, dass es schwierig oder unmöglich wäre, eine DNA-Technologie zu entwickeln, die alle Funktionen herkömmlicher elektronischer Geräte umfasst: das Speichern und Bewegen von Daten, die Fähigkeit, bestimmte Dateien zu lesen, zu löschen, neu zu schreiben, neu zu laden oder zu berechnen, und all dies in programmierbarer und wiederholbarer Weise zu tun“, sagt Seniorautor Albert Keung von der North Carolina State University. „Wir haben bewiesen, dass diese DNA-basierten Technologien realisierbar sind – denn wir haben eine gebaut.“
Gemeinsam mit Erstautor Kevin Lin und seinem Team hat Keung einen DNA-basierte Speicher- und Rechenmaschine entwickelt, bei der die DNA auf winzige Substratpartikel aus natürlich vorkommendem Cellulose-Acetat aufgetragen wird. Dieses Trägermaterial stabilisiert die DNA und sorgt dafür, dass Informationen wiederholt abgerufen, verschoben oder überschrieben werden können. „Die von uns geschaffenen Polymerstrukturen beginnen auf der Mikroskala, verzweigen sich aber hierarchisch, um ein Netzwerk von Fasern im Nanomaßstab zu bilden“, erklärt Lins Kollege Orlin Velev. „Diese Morphologie schafft eine Struktur mit einer großen Oberfläche, die es uns ermöglicht, DNA zwischen den Nanofibrillen zu deponieren, ohne die Datendichte zu opfern, die DNA für die Datenspeicherung überhaupt erst attraktiv macht.“
Hohe Speicherkapazität und lange Haltbarkeit
Pro Milligramm hat die molekulare Struktur eine Oberfläche von über 200 Quadratzentimetern und eine Speicherkapazität von zehn Terabyte. „Man könnte die Daten von tausend Laptops in einem DNA-basierten Speicher unterbringen, der so groß wie ein Radiergummi ist“, sagt Keung. Da die DNA-Informationen von denen Nanofasern, auf denen sie gespeichert sind, unterscheidbar sind, lassen sich die meisten Funktionen ausführen, die auch bei elektronischen Geräten möglich sind. „Wir können DNA-Informationen direkt von der Oberfläche des Materials kopieren, ohne die DNA zu beschädigen. Wir können auch gezielt DNA-Stücke löschen und dann auf derselben Oberfläche neu schreiben, ähnlich wie beim Löschen und Neuschreiben von auf der Festplatte gespeicherten Informationen“, erklärt Lin. „Damit können wir im Grunde die gesamte Palette der DNA-Datenspeicherung und Rechenfunktionen durchführen.“ Unter anderem wiesen die Forschenden nach, dass ihr DNA-basiertes System bereits in der Lage ist, vereinfachte Sudoku- und Schach-Probleme zu lösen.
