Im Jahr 2018 wurden pro Minute 3,88 Millionen Suchanfragen bei Google durchgeführt, 4,33 Millionen Videos auf YouTube angeschaut, 159.362.760 E-Mails verschickt, 473.000 Mal getwittert und 49.000 Fotos auf Instagram gepostet, so die Softwarefirma Domo. Bis zum Jahr 2020 werden pro Person weltweit schätzungsweise 1,7 Megabyte Daten pro Sekunde erzeugt, was bei einer Weltbevölkerung von 7,8 Milliarden Menschen etwa 418 Zettabyte in einem Jahr entspricht (418 Milliarden Informationen im Wert von einem Terabyte auf einer Festplatte). Die magnetischen oder optischen Datenspeichersysteme, die derzeit diese Menge an 0en und 1en speichern, halten normalerweise nicht länger als ein Jahrhundert, wenn überhaupt. Außerdem verbraucht der Betrieb von Rechenzentren enorme Mengen an Energie. Kurz gesagt, wir stehen vor einem ernsthaften Datenspeicherproblem, das sich mit der Zeit nur noch verschärfen wird.
Eine Alternative zu Festplatten ist auf dem Vormarsch: DNA-basierte Datenspeicherung. Die DNA, die aus langen Ketten der Nukleotide A, T, C und G besteht, ist der Informationsspeicher des Lebens. In der Abfolge dieser Buchstaben können Daten gespeichert werden, was die DNA zu einer neuen Form der Informationstechnologie macht. Sie wird bereits routinemäßig sequenziert (gelesen), synthetisiert (beschrieben) und mit Leichtigkeit exakt kopiert. Außerdem ist die DNA unglaublich stabil, wie die vollständige Sequenzierung des Genoms eines fossilen Pferdes, das vor mehr als 500.000 Jahren gelebt hat, gezeigt hat. Und ihre Speicherung erfordert nicht viel Energie.
Aber es ist die Speicherkapazität, die glänzt. DNA kann riesige Datenmengen akkurat verstauen, in einer Dichte, die die von elektronischen Geräten weit übertrifft. Das einfache Bakterium Escherichia coli zum Beispiel hat eine Speicherdichte von etwa 1019 Bits pro Kubikzentimeter, wie George Church von der Harvard University und seine Kollegen 2016 in Nature Materials berechneten. Bei dieser Dichte könnte der gesamte aktuelle Speicherbedarf der Welt für ein Jahr durch einen Würfel aus DNA mit einer Seitenlänge von etwa einem Meter gut abgedeckt werden.
Die Aussicht auf DNA-Datenspeicher ist nicht nur theoretisch. So hat Churchs Gruppe in Harvard 2017 mit Hilfe der CRISPR-DNA-Editing-Technologie Bilder einer menschlichen Hand in das Genom von E. coli geschrieben, die mit einer Genauigkeit von mehr als 90 Prozent ausgelesen wurden. Und Forscher an der University of Washington und Microsoft Research haben ein vollautomatisches System zum Schreiben, Speichern und Lesen von in DNA kodierten Daten entwickelt. Eine Reihe von Unternehmen, darunter Microsoft und Twist Bioscience, arbeiten daran, die DNA-Speichertechnologie weiterzuentwickeln.
Die DNA wird aber auch schon auf andere Weise zur Datenverwaltung eingesetzt, und zwar von Forschern, die sich damit auseinandersetzen, riesige Datenmengen sinnvoll zu verarbeiten. Jüngste Fortschritte bei den Sequenzierungstechniken der nächsten Generation ermöglichen es, Milliarden von DNA-Sequenzen einfach und gleichzeitig zu lesen. Mit dieser Fähigkeit können Forscher die Strichkodierung – die Verwendung von DNA-Sequenzen als molekulare Identifikations-„Tags“ – einsetzen, um experimentelle Ergebnisse zu verfolgen. Die DNA-Strichcodierung wird jetzt eingesetzt, um das Forschungstempo in Bereichen wie Chemietechnik, Materialwissenschaft und Nanotechnologie dramatisch zu beschleunigen. Am Georgia Institute of Technology zum Beispiel arbeitet das Labor von James E. Dahlman an der schnellen Identifizierung sicherer Gentherapien; andere finden heraus, wie man Arzneimittelresistenzen bekämpft und die Metastasierung von Krebs verhindert.
Zu den Herausforderungen bei der Verbreitung von DNA-Datenspeichern gehören die Kosten und die Geschwindigkeit des Lesens und Schreibens von DNA, die noch weiter sinken müssen, wenn der Ansatz mit elektronischen Speichern konkurrieren soll. Selbst wenn die DNA nicht zu einem allgegenwärtigen Speichermaterial wird, wird sie mit ziemlicher Sicherheit dazu verwendet werden, Informationen in völlig neuen Maßstäben zu erzeugen und bestimmte Arten von Daten langfristig zu bewahren.