DNA-„Kassettenband“ speichert Petabytes und überdauert Jahrtausende

Kunststofffolie, gedruckte DNA und ein Retro-Laufwerk: der neue Prototyp

In einem Labor in China haben Forscher zwei sehr unterschiedliche Epochen der Informationstechnologie miteinander verheiratet: den molekularen Speicher der DNA und den mechanischen Komfort einer Magnetbandkassette. Das Team druckte kurze, synthetische DNA-Stränge auf eine flexible Polyester-Nylon-Folie, rollte den Streifen in eine Kassette und baute ein kleines Laufwerk, das mit Barcodes versehene Spuren scannen, einen Punkt in eine Lösung eintauchen und die DNA für die Sequenzierung und Dekodierung zurück in Dateien gewinnen kann.

Das Ergebnis ist ein funktionierender Machbarkeitsnachweis, den die Forscher als „kompakte Magnetbandkassette für die DNA-basierte Datenspeicherung“ beschreiben. Das Experiment zeigt, dass DNA auf einem langen, adressierbaren Medium organisiert und mit automatisierten, kassettenähnlichen Bewegungen abgerufen werden kann, anstatt DNA nur in Röhrchen oder Fläschchen zu lagern – ein Schritt, der das Medium laut den Autoren als Dateisystem einfacher nutzbar macht.

Wie das System Dateien kodiert, schützt und findet

Der Prozess folgt einem bekannten Muster aus anderen DNA-Speicherprojekten: Eine digitale Datei wird in Sequenzen der vier Nukleotid-„Buchstaben“ (A, T, C und G) übersetzt; diese synthetischen Sequenzen werden als winzige Tröpfchen in mikroskopisch kleine, mit Barcodes markierte Kompartimente auf dem Streifen deponiert; und eine Schutzhülle – eine kristalline metallorganische Beschichtung – bewahrt die zerbrechlichen Moleküle auf, bis sie benötigt werden. Um eine Datei zu lesen, lokalisiert das Laufwerk den Barcode, setzt eine milde Chemikalie ein, um die Stränge aus diesem Kompartiment freizusetzen, führt sie einem Sequenzierer zu und übersetzt die zurückgegebenen Base-Calls in Bits und Bytes.

Diese Architektur bietet mehrere praktische Vorteile. Barcodes ermöglichen es dem Laufwerk, einzelne Dateien ähnlich wie ein Bibliotheksindexsystem zu lokalisieren, und die Kristallbeschichtung verhindert den chemischen Abbau der DNA, was den Forschern erlaubt, für lange Speicherlebensdauern zu argumentieren. Der Prototyp unterstützt zudem das Überschreiben und Reparieren: Enzyme können verwendet werden, um alte Stränge zu entfernen und frische an ihrer Stelle zu deponieren, und das Team demonstrierte einfache autonome Wiederherstellungs- und Redepositionsschritte innerhalb des Laufwerks.

Dichte und Langlebigkeit: die Schlagzeilen-Zahlen

Die Zahlen sind aufsehenerregend. Das Team berichtet von einer theoretischen Speicherdichte, die hochgerechnet Hunderte von Petabyte pro Kilometer Band erreichen könnte – Zahlen, die sich in Dutzende von Petabyte für eine 100-Meter-Kassette übersetzen lassen. Die Autoren und Berichterstatter haben Vergleiche wie „genug für Milliarden von Songs“ herangezogen, um ein plastisches Gefühl für die Größenordnung zu vermitteln. Diese Kapazitätsschätzungen beruhen auf einer dichten Packung vieler adressierbarer Punkte und mehreren Kopien jeder Sequenz zum Schutz vor Datenverlust.

Schutz ist wichtig, da die DNA-Chemie bei Umgebungstemperaturen langsam, aber stetig zerfällt. Mit dem zeolithischen Imidazolat-Gerüst (ZIF) oder einem ähnlichen metallorganischen Gerüst, das im Prototyp als Schutzpanzer verwendet wird, prognostiziert das Team Lebensdauern in der Größenordnung von Jahrhunderten bei Raumtemperatur. Unter Kaltlagerung – zum Beispiel nahe 0 °C – verlangsamt sich die Zerfallsrate dramatisch, und einige öffentliche Berichte beschreiben Extrapolationen, die eine Konservierung in der Größenordnung von Tausenden bis Zehntausenden von Jahren unter Tiefkühlbedingungen implizieren. Diese längeren Zahlen sollten eher als modellbasierte Projektionen denn als gemessene Ergebnisse verstanden werden: Sie ergeben sich aus der Anwendung standardmäßiger chemischer Zerfallsmathematik auf die vom Team durchgeführten beschleunigten Alterungs- und Stabilitätstests.

Leistung des Prototyps: Beweis versus Produktion

Wichtige Vorbehalte trennen die pressefreundlichen Kapazitäts- und Lebensdauerzahlen von der praktischen Realität. Das Gerät ist eine Labordemonstration, kein kommerzielles Produkt. In den Experimenten des Teams schrieb und rekonstruierte das System bescheidene Testdateien – in der Größenordnung von einigen hundert Kilobyte – und jeder vollständige Schreib-Lese-Überschreib-Zyklus dauerte viele Minuten bis Stunden, primär weil die chemischen Schritte zur Erzeugung und zum Auslesen der DNA langsam und kostspielig bleiben. Unabhängige Berichte über die Studie fassten eine frühe Demonstration zusammen, bei der eine einzelne, etwa 156,6 KB große Datei gespeichert wurde, und beschrieben vollständige Zyklen, die vor Optimierungen in der Größenordnung von zehn Minuten bis über eine Stunde dauerten. Diese Raten bedeuten, dass der Prototyp Daten bestenfalls im Kilobyte-pro-Stunde-Bereich schreibt, weit langsamer als jede herkömmliche Festplatte oder Bandbibliothek.

Mit anderen Worten: Das System glänzt derzeit prinzipiell bei Dichte und Haltbarkeit, nicht beim Durchsatz. Die mechanischen Teile des Laufwerks – der Barcodescanner und die Bandführung – können sehr schnell über den Streifen suchen, aber die Flaschenhälse sind molekularer Natur: Das Synthetisieren maßgeschneiderter DNA-Sequenzen (Schreiben) und deren Sequenzierung zurück in digitale Bits (Lesen) bleiben um Größenordnungen langsamer und teurer als siliziumbasierte Speichervorgänge.

Einordnung in das Speicher-Ökosystem

Die Forscher betrachten die DNA-Kassette als potenzielle Brücke zwischen der archivierenden „Cold“-Speicherung – Dateien, auf die man selten zugreift, die man aber über Jahrzehnte oder Jahrhunderte aufbewahren möchte – und der „Warm“-Speicherung, die gelegentlich gelesen oder aktualisiert wird. Sollten die Kosten für Synthese und Sequenzierung sinken und die Geschwindigkeit steigen, könnte ein adressierbares DNA-Band plausibel in großen Bibliotheken neben Magnetbandkassetten stehen und ein extrem energiesparendes Langzeitmedium für das kulturelle und wissenschaftliche Erbe der Welt bieten. Derzeit scheint die Technologie am relevantesten für Institutionen zu sein, die Langlebigkeit über die unmittelbare Zugriffsgeschwindigkeit stellen: Museen, Nationalarchive und bestimmte wissenschaftliche Datensätze.

Experten, die nicht an der Studie beteiligt waren, geben zu bedenken, dass rasche Fortschritte bei der DNA-Synthese und -Sequenzierung notwendig sein werden, bevor die Idee praktikabel wird. Die Automatisierung molekularer Arbeitsabläufe – der Kernfortschritt hier – ist ein großer Schritt, ändert aber die grundlegende Ökonomie nicht über Nacht. Aus diesen Gründen beschreiben das Team und externe Kommentatoren die Arbeit eher als eine wichtige Plattformtechnologie denn als kurzfristigen Ersatz für Festplatten oder Cloud-Rechenzentren.

Praktische Hürden und nächste Schritte

• Geschwindigkeit und Kosten: Synthetische DNA ist nach wie vor teuer in der Herstellung und in großem Maßstab nur langsam zu produzieren. Bis sich das ändert, wird das Medium eher für Archivzwecke als für die tägliche Speicherung großer Volumina geeignet sein.
• Standardisierung: Eine verbreitete Nutzung erfordert vereinbarte Formate und kompatible Laufwerke, damit eine heute erstellte DNA-Kassette auch in Jahrzehnten noch gelesen werden kann.
• Validierung der Langlebigkeit: Behauptungen über eine jahrtausendelange Haltbarkeit hängen von Zerfallsmodellen und beschleunigten Tests ab; längere Echtzeit-Experimente und standardisierte Protokolle für beschleunigte Alterung sind erforderlich, um bei einer Speicherung über mehrere Jahrtausende sicher zu sein.
• Regulierung und Biosicherheit: Die Speicherung beliebiger Daten in Form von DNA wirft offensichtliche Fragen zur Kontrolle, Herkunft und der Grenze zwischen harmlosen synthetischen Strängen und biologischen Wirkstoffen auf; diese Diskussionen müssen parallel zur technischen Entwicklung geführt werden.

Das DNA-Kassettenprojekt ist repräsentativ für einen größeren Trend: Ingenieure leihen sich zunehmend biologische Lösungen, um informationstechnische Probleme zu lösen. Die natürliche Dichte der DNA und ihre energiefreie Stabilität (sobald sie geschrieben und versiegelt ist) machen sie zu einem attraktiven Kandidaten für langlebige Archive; das Kassettenformat liefert eine vertraute, stromsparende mechanische Schnittstelle, die eines Tages in bibliotheksähnliche Ökosysteme zur Datenverwahrung integriert werden könnte.

Vorerst ist das neue Gerät am besten als eine bemerkenswerte Demonstration mit klaren Stärken und klaren Grenzen zu verstehen. Es zeigt, dass gedruckte, adressierbare DNA auf einem tragbaren Streifen gefunden, gelesen, modifiziert und wieder versiegelt werden kann – ein molekulares Dateisystem im Miniaturformat. Es verdeutlicht aber auch die schwierige, geschwindigkeitsbegrenzende Chemie, die gelöst werden muss, bevor die DNA-Speicherung vom Status einer Laborkuriosität zur Infrastruktur aufsteigt. Die kommenden Jahre werden zeigen, ob schnellere Synthese, günstigere Sequenzierung und robuste Standards die Idee zu einer praktikablen Option für die Speicherung der wertvollsten Archive der Menschheit machen.

Quellen

• Science Advances (Forschungsarbeit: „A compact cassette tape for DNA‑based data storage“, DOI: 10.1126/sciadv.ady3406)
• Southern University of Science and Technology (Leitung der Forschungsgruppe: Xingyu Jiang; korrespondierende Institutionen)
• Shanghai Jiao Tong University (beteiligtes Labor)