Chinesische Wissenschaftler speichern chinesische Schriftzeichen in der DNA! Wie wird sich die DNA-Speicherung in Zukunft entwickeln?

Kürzlich gelang es einem Team aus Lehrern und Schülern der Southeast University, das Schulmotto „Streben nach Perfektion“ in einer DNA-Sequenz zu speichern und damit einen neuen Durchbruch in der DNA-Speichertechnologie zu erzielen. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Das Team von Liu Hong verbesserte die traditionelle chemische Synthesemethode und verwendete elektrochemische Methoden, um die vier Worte des Mottos der Southeast University „Streben nach Perfektion“ in eine DNA-Sequenz zu „übersetzen“, sie auf einer Elektrode zu speichern und sie dann erfolgreich auszulesen.

„Unser wichtiger Durchbruch ist die Integration von DNA-Synthese und Sequenzierung. Nach der Integration werden Effizienz und Genauigkeit der DNA-Speicherung verbessert, was die Speicherung großer Datenmengen erleichtert.“

In den letzten Jahren hat sich auf diesem Gebiet eine neue Forschungsrichtung entwickelt: die DNA-Speicherung. Diese Forschung wird dazu beitragen, das Problem der Datenspeicherung im Zeitalter von Big Data zu lösen. „

1994 saß Bill Gates auf 330.000 Blättern Papier, hielt eine CD in der Hand und verkündete der Welt: Eine CD kann mehr Inhalt speichern als diese 330.000 Blätter Papier.

„In den nächsten fünf bis 15 Jahren werden chinesische Wissenschaftler in einem Datenzentrum stehen, ein Röhrchen mit DNA in den Händen halten und der Welt mitteilen: Was hier aufgezeichnet ist, sind die aktuellen Daten der gesamten Welt.“ Kürzlich machte Fan Chunhai, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, eine solche Vorhersage über die Zukunftsaussichten der DNA-Speichertechnologie.

Was ist DNA-Speichertechnologie? Warum werden so große Erwartungen in dieses System gesetzt?

Neuer Durchbruch in der DNA-Speichertechnologie

Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie und digitaler Technologien wie dem Internet und der künstlichen Intelligenz wächst die Menge an Informationen exponentiell. Traditionelle Speichermedien wie Disketten, Festplatten und Flash-Speicher können den weltweiten Bedarf an Datenspeicherung zunehmend nicht mehr decken.

In diesem Zusammenhang ist die DNA-Speichertechnologie, also die Integration von Informationstechnologie und Biotechnologie, allmählich in unseren Blickpunkt gerückt.

Kürzlich gelang es einem Team aus Lehrern und Schülern der Southeast University, das Schulmotto „Streben nach Perfektion“ in einer DNA-Sequenz zu speichern und damit einen neuen Durchbruch in der DNA-Speichertechnologie zu erzielen. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Eine DNA-Speicherelektrode, die von einem Team aus Lehrern und Schülern der Southeast University entwickelt wurde. Foto bereitgestellt von Liu Hongs Team

„DNA ist ein biologisches Makromolekül mit einer definierten Sequenz. Die DNA-Speichertechnologie dient dazu, biologische DNA-Moleküle zu kodieren, um Informationen über die DNA-Sequenz zu speichern“, sagte Professor Liu Hong vom State Key Laboratory of Bioelectronics der Southeast University.

Das Team von Liu Hong verbesserte die traditionelle chemische Synthesemethode und verwendete elektrochemische Methoden, um die vier Worte des Mottos der Southeast University „Streben nach Perfektion“ in eine DNA-Sequenz zu „übersetzen“, sie auf einer Elektrode zu speichern und sie dann erfolgreich auszulesen. „Da ich einen Hintergrund in Elektrochemie habe und Elektroden die Werkzeuge sind, die wir am häufigsten verwenden, dachte ich, ich könnte dies als Ausgangspunkt für meine Forschung nutzen.“

„Unser wichtiger Durchbruch ist die Integration von DNA-Synthese und -Sequenzierung. Derzeit werden Synthese und Sequenzierung der meisten DNA-Speicher getrennt durchgeführt, was eigentlich eine relativ grundlegende Forschung im Labor darstellt“, sagte Liu Hong. „Nachdem die Integration abgeschlossen ist, werden die Effizienz und Genauigkeit der DNA-Speicherung verbessert, was die Speicherung großer Datenmengen erleichtert.“

Zur ursprünglichen Absicht der Forschung sagte Liu Hong: „Das State Key Laboratory of Bioelectronics an der Southeast University beschäftigt sich seit Jahren mit der Forschung im Bereich Bioelektronik. In den letzten Jahren hat sich auf diesem Gebiet eine neue Forschungsrichtung entwickelt – die DNA-Speicherung. Deshalb haben wir vor einem Jahr mit dieser Forschung begonnen. Noch wichtiger ist, dass diese Forschung dazu beitragen wird, das Problem der Datenspeicherung im Zeitalter von Big Data zu lösen.“

Laut Statistiken der International Data Corporation (IDC) wird die Gesamtmenge an globalen Dateninformationen von 30 ZB (Zettabyte) im Jahr 2018 auf 163 ZB im Jahr 2025 ansteigen.

„Die Geschwindigkeit, mit der Daten heutzutage generiert werden, übersteigt bei weitem die Geschwindigkeit, mit der wir diese Speichermedien produzieren. Daher müssen neue Medien eingesetzt werden, um dieses Problem zu lösen“, sagte Liu Hong.

Was die Verwendung von DNA als Speichermedium betrifft, glaubt Liu Hong, dass sie natürliche Vorteile hat: Erstens ist die Informationsdichte hoch. Nach früheren Schätzungen von Microsoft Research kann 1 Kubikmillimeter DNA 1 EB (Exabyte) an Daten speichern; zweitens ist die Lagerzeit lang und die Stabilität hoch. Unter den richtigen Bedingungen kann es Zehntausende von Jahren gelagert werden; Drittens ist der Speicherenergieverbrauch sehr gering.

Von der formalen Forschung bis zum Erreichen neuer Durchbrüche brauchte Liu Hongs Team etwas mehr als ein Jahr. „Aber ein Großteil der Grundlagenforschung hat tatsächlich schon vor langer Zeit begonnen“, sagte Liu Hong. Im Jahr 2013 schloss Liu Hong seine Postdoc-Arbeit ab und kehrte nach China zurück, wo er an elektrochemischen Sensoren forschte. Es waren diese acht Jahre der Ansammlung, die eine solide Grundlage für den schnellen Durchbruch in der DNA-Speichertechnologie bildeten.

Professor Liu Hong (links) und seine Studenten beobachten die DNA-Speicherelektrode. Foto bereitgestellt von Liu Hongs Team

„Während wir das Papier einreichten, verbesserten wir unsere Forschung noch und fügten viele neue Daten hinzu. Obwohl das Papier nur wenige Seiten lang ist, sind unsere rechnerischen Materialien wahrscheinlich Dutzende von Seiten lang.“ Liu Hong erinnerte sich an den Prozess der Papiereinreichung und sagte: „Tatsächlich kann kein Zusammenhang in der wissenschaftlichen Forschung ignoriert werden. Von der Einreichung bis zur Überarbeitung dauerte es etwa drei bis vier Monate.“

Auf die Frage, warum er sich dafür entschieden habe, das Schulmotto in der DNA-Sequenz zu speichern, sagte Liu Hong freimütig: „Vielleicht liegt es daran, dass das Schulmotto in die DNA jedes Lehrers und Studenten der Southeast University eingraviert ist.“

Welchen Herausforderungen steht die DNA-Speichertechnologie gegenüber?

Vor dem Hintergrund des exponentiellen Wachstums der Gesamtmenge an globalen Daten und Informationen werden für die DNA-Speichertechnologie nun auch Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen erschlossen. Aufgrund ihrer Speichervorteile hat die DNA-Speichertechnologie auch die Aufmerksamkeit vieler Länder und Regionen auf sich gezogen.

Die Vereinigten Staaten sind das Land mit der umfassendsten Planung und Gestaltung und decken mehrere technische Prozesse vom „Schreiben“ bis zum „Lesen“ von Daten ab. Obwohl die Europäische Union keine klaren Richtlinien für die Gestaltung der DNA-Speichertechnologie herausgegeben hat, hat sie auch Mittel für die damit verbundene Forschung und Entwicklung bereitgestellt. Auch Japan, Australien und andere Länder haben ihre Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der synthetischen Biologie weiter verstärkt. mein Land hat auch verwandte Bereiche festgelegt, und der „14. Fünfjahresplan“ meines Landes schlägt eindeutig vor, „die Entwicklung von Spitzentechnologien wie Quantencomputern, Quantenkommunikation, neuronalen Chips und DNA-Speichern zu beschleunigen“.

Auch die Unternehmen sind sich der großen Zukunftsaussichten in diesem Bereich seit langem bewusst. Die Microsoft Corporation in den USA ist eines der ersten Unternehmen, das an der DNA-Speichertechnologie forscht. Im Jahr 2016 gab Microsoft den Kauf von 10 Millionen DNA-Strängen für die Forschung zur Datenspeicherung bekannt. Im Jahr 2019 kündigte Huawei die Gründung eines strategischen Forschungsinstituts an und erklärte, dass sich das Institut auf die Entwicklung von Spitzentechnologien wie optischem Computing, DNA-Speicherung und Atomfertigung konzentrieren werde. Auf der diesjährigen Huawei Global Analyst Conference sagte Xu Wenwei, Huawei-Direktor und Dekan des Strategic Research Institute, dass sie DNA-Speicher nutzen werden, um das Modell des ultragroßen Speicherplatzes und die Kodierungstechnologie zu durchbrechen und die Kapazitätsgrenze zu durchbrechen.

In Bezug auf die Anwendungsszenarien der DNA-Speichertechnologie sagte Liu Hong, dass sich die DNA-Speicherung für den Einsatz an Orten eignet, an denen ein Bedarf an langfristiger Informationsspeicherung besteht. Es dient hauptsächlich einer Speicherfunktion und erfordert kein häufiges Lesen von Informationen.

Obwohl die DNA-Speichertechnologie großes Potenzial besitzt, ist ihre Anwendung noch mit Herausforderungen verbunden.

Es ist bekannt, dass die aktuelle DNA-Speichertechnologie noch immer durch das Überschreiben und Neuschreiben von Daten, zufälliges Lesen und Schreiben usw. eingeschränkt ist. „Insbesondere die Kosten und die Effizienz der DNA-Synthese sind noch immer die größten Herausforderungen, die die Entwicklung der DNA-Speichertechnologie einschränken“, sagte Liu Hong. Branchenanalysten schätzen, dass es derzeit 800.000 US-Dollar kostet, 200 MB Daten mithilfe von DNA zu speichern.

„Ich bin jedoch überzeugt, dass die Kosten mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie immer weiter sinken werden“, sagte Liu Hong.

Obwohl die Forschung wichtige Fortschritte gemacht hat, glaubt Liu Hong, dass dies nur ein vorläufiges Ergebnis ist. „Um mehr Daten speichern zu können, besteht unser nächster Schritt darin, Datenspeicher auf Basis großflächiger Elektrodenanordnungen zu entwickeln. Was wir jetzt tun, ist nur der erste Schritt. Bis wir DNA als Speichermedium nutzen können, ist es noch ein weiter Weg“, sagte Liu Hong.

Quelle: China Internet Information Magazine (ID: newmedia_2014)

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