Neue Methode kann jedes Objekt in eine Datenspeichereinheit verwandeln

• Forscher verwenden DNA-Moleküle, um Informationen in Alltagsgegenständen zu speichern.
• Die Informationen können Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte später abgerufen werden.
• Im Moment ist die Technologie recht teuer.

Im heutigen Informationszeitalter wachsen die Datenmengen der Welt mit enormen Geschwindigkeiten. Vorhandene Geräte (Solid-State-Laufwerke, Festplatten und Magnetbänder) zum Speichern dieser Daten werden bald an ihre physischen Grenzen stoßen.

Aus diesem Grund versuchen Wissenschaftler, DNA-Moleküle als Architektur für die langfristige Kühllagerung zu verwenden. Es kann jede Form annehmen und über außergewöhnliche Dichte und Ausdauer hinausweisen. Theoretisch kann ein einziges Gramm DNA 215 Petabyte an Daten über Tausende von Jahren speichern.

Nun haben Forschende der ETH Zürich (Schweiz) und Erlich Lab LLC (Israel) eine neue Methode entwickelt, um riesige Mengen an Informationen (nur mit DNA-Molekülen) in Alltagsgegenständen wie Wasserflaschen, Hemdknöpfen und sogar Glaslinsen zu speichern. Die Informationen können auch nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten direkt aus den Objekten abgerufen werden.

Frühere Studien, wie das Markieren von Produkten mit DNA-„Barcode“ und das Speichern riesiger Datenmengen in der DNA, haben es Forschern ermöglicht, eine neue Art von Datenspeicherung namens „DNA of Things“ aufzubauen. Die Objekte (Speichereinheiten) sind über das Internet mit Informationen verknüpft, daher der Name.

Wie haben sie es gemacht?

Um Objekte mit unveränderlichem Gedächtnis zu schaffen, verschmolzen die Forscher DNA-Moleküle mit einem funktionellen Material. Sie kodierten die Daten in DNA-Molekülen fehlersicher.

Sie verwendeten das DNA-Fountain-Codierungsschema, um extreme Dropout-Fehler zu korrigieren und Daten aus winzigen Materialmengen abzurufen.

Das einfache Mischen der DNA mit funktionellen Materialien führt jedoch aufgrund erhöhter Temperaturen und Hydrolysestress während der Herstellung der Mischung häufig zu einer Degradation der DNA.

Dies kann durch Einkapseln der DNA in Siliziumdioxid-Nanopartikel beseitigt werden. Die mit Siliziumdioxidpartikeln verkapselte DNA erleichtert das Mischen von DNA mit dem Einbettungsmaterial und erhöht die Halbwertszeit von DNA-Molekülen.

Referenz:Naturbiotechnologie | DOI:10.1038/s41587-019-0356-z | ETH Zürich 

Diese DNA-Moleküle können mit verschiedenen Materialien gemischt und entweder durch 3D-Druck oder Gießtechniken geformt werden.

Das Forschungsteam druckte in 3D ein Kaninchen aus Kunststoff, um die neue Methode zu demonstrieren. Der Hase enthält 100 Kilobyte Daten – die Anweisung zum Drucken des Hasen. Das bedeutet, dass das Objekt wie echte Kaninchen seinen eigenen Bauplan trägt.

Ein 3D-gedrucktes Plastikkaninchen, das 100 KB Daten in Form von DNA-Molekülen enthält | Quelle:ETH Zürich / Julian Koch

Sie holten auch die Daten (Druckanweisungen) von einem kleinen Stück des Kaninchens und verwendeten es, um ein ganz neues in 3D zu drucken. Sie wiederholten den Vorgang fünfmal und schufen das „Ur-Ur-Ur-Enkelkind“ des ersten Kaninchens.

Anwendungen

Die Technologie könnte verwendet werden, um geheime Informationen in einem gewöhnlichen Material zu verbergen, eine Technik namens Steganographie. Forscher demonstrierten es, indem sie einen kurzen Film (1,4 Megabyte) in die Linsen herkömmlicher Brillen einspeicherten. Man kann diese Brille unbemerkt durch die Flughafensicherheit bringen.

Theoretisch ist es möglich, Informationen in allen Kunststoffgegenständen (einschließlich Silikon, Polyurethan, Polyester und Epoxiden) zu verbergen, solange sie während des Herstellungsprozesses keine extrem hohen Temperaturen erreichen.

Es ist in Anwendungen nützlich, in denen Informationen auf Blaupausenebene zugänglich sein müssen, entweder in einem massengefertigten Objekt oder in einem personalisierten Artikel. Bei Zahnimplantaten zum Beispiel ist jede Struktur einzigartig und wird nur für einen bestimmten Patienten angepasst.

Eine futuristischere Anwendung dieser Technologie wäre im Bereich selbstreplizierender Geräte. Die Technik hat genügend Replikationsfähigkeit, um Speichermaterial für eine unbegrenzte Menge an Objekten zu erstellen.

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Die Technologie ist ziemlich teuer:Die Übersetzung einer einzelnen 3D-Druckdatei kostet mehr als 2.000 US-Dollar. Die Kosten der Einheit sinken jedoch mit zunehmender Chargengröße des Objekts.