DNA - die Lösung für alle Speicherprobleme?

Tarantoga

Moderator
Im Spektrum der Wissenschaft ist gerade ein interessanter Artikel über die Arbeit der Bioinformatiker Ewan Birney und Nick Goldman erschienen, denen es gelungen ist synthetische DNA als Speichermedium zu nutzen. Die Forscher entwickelten einen Verfahren mit dem sich die binäre Sequenz eines Datenstroms als Abfolge der Nukleotide A, C, G und T kodieren ließen. Als Test speicherten sie sämtliche Shakespeare Sonette, ein Foto ihres Instituts, eine MP3-Datei mit einer Rede von Martin Luther King und Watson & Cricks Arbeit über die Struktur der DNA in einer DNA-Sequenz ab - alle Daten ließen sich fehlerfrei wieder auslesen.
Und die DNA hat gegenüber herkömmlichen Speichermedien große Vorteile, vorallem was die Lebensdauer betrifft: Durch DNA-Proben von Mammuts und Neanderthalern wissen wir, dass sie locker 10.000 Jahre überdauern kann. Auch die Speicherkapazität ist enorm, wie die Forscher berechneten, lässt sich auf 1 Gramm DNA mehr als 2 Petabyte Information abspeichern! Dagegen sehen herkömmliche Speichermedien ziemlich alt aus...

Hier gibt's den Artikel: DNA-Datenspeicher: Auf Petabyte pro Gramm - Spektrum.de
 

bluez

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Bevor ich späterausführlich meinen Quatsch zu dem Thema abgebe, nur kurz ein Einwand:
DNA ist nicht so stabil, wie du es darstellst. Es ist ein sehr langes und äußerst komplexes Molekül, das empfindlich gegenüber so ziemlich jeder basischen oder sauren Umgebung ist. Es ist sehr empfindlich gegenüber Hitze, elektromagnetischer Strahlung und biologischen Einflüssen. Das mit den Mamuts ist eher ein Glücksgriff der Geschichte und eine Ausnahme.

Was du wahrscheinlich meinst ist, dass die DNA vielleicht die Informationen die einmal drauf sind besser halten kann, als magnetische Speicher oder Flashmedien.
Aber das Trägermedium ist immernoch sehr, sehr empfindlich gegenüber Zerstörung.
 

Tarantoga

Moderator
Na ja, eigentlich meine ich das hier:
Und drittens unterscheidet sich DNA-als-Speichermedium von sämtlichen anderen Verfahren zur langfristigen Speicherung dadurch, dass bereits der Beweis ihrer Dauerhaftigkeit vorliegt: Die Untersuchungen an Wollhaarmammuts aus dem sibirischen Permafrost oder gar an Neandertalerknochen zeigt, dass unter günstigen Bedingungen die Erbgutsequenz über mindestens zehntausend Jahre erhalten bleibt. An einem kühlen Ort in einem lichtundurchlässigen Behälter könnte sie locker die kommenden Generationen überdauern, zum Beispiel in einem Saatgutspeicher in Svalbard.
Quelle: DNA-Datenspeicher: Auf Petabyte pro Gramm - Spektrum.de
 

bluez

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Jep. Das sind auch die Umstände unter denen z.B. CDs lange lagern können. Bänder werden ebenfalls ähnlich gelagert. Aber beide sind nicht so empfindlich gegenüber z.B. radioaktiver Strahlung oder jeder anderen Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Der Aufwand zur Lagerung magnetischer Speicher ist sicherlich nicht so groß wie der zur Lagerung von DNA.

Nochmal: das mit der Mammut-DNA ist wirklich eine Ausnahme. DNA die längere ZEit überdauert ist die absolute Ausnahme, selbst unter idealen Bedingungen. Ein bisschen Sonne, etwas Hintergrundstrahlung, etwas Wärme, beliebige Bakterien - und schon hat der Zerstörungsprozess begonnen. Den Verweis auf Mammuts oder Neandertaler halte ich für höchst irreführend.

DNA ist nur solange stabil, wie sie durch den Körper geschützt wird - und selbst da reicht nur etwas UV-Licht und schon wird sie zerstört. Im Körper wird dem Prozess entgegengewirkt - dafür gibts gute Mechanismen. Und obwohl das passiert, kriegst du irgendwann Hautkrebs, weil unter den Millionen von zerstörten DNA-Strängen einer irreparabel geschädigt wurde und mutiert ist (nicht zu vergessen all die irreparablen STränge die zur Nekrose führen -> kennst du als sich abschälende Haut, einige Tage nach dem Sonnenbrand). Und das, nochmal, TROTZ fortwährender Reperatur durch den Körper.

EDIT: Wobei ich nochmal anmerke, das da natürlich die Information länger, praktisch unbegrenzt haltbar ist, während sich magnetische Speicher langsam entmagnetisieren. Also: empfindlicheres Medium gegen Zerstörung - aber praktisch kein Informationsverlust, wenn das Medium selbst nicht zerstört wird. Das ist aber auch bei CDs ähnlich. Solange sie keiner UV-STrahlung ausgesetzt werden und keinen schwankenden Temperaturen (in höherer Toleranz als DNA!) geht keine Information verloren. Trotzdem setzt man weiterhin auf Bänder, wenn es um sichere Lagerung geht, da gerade die Gefahr durch UV-Licht zu hoch ist.
 
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Tarantoga

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bluez hat gesagt.:
Das sind auch die Umstände unter denen z.B. CDs lange lagern können. Bänder werden ebenfalls ähnlich gelagert. Aber beide sind nicht so empfindlich gegenüber z.B. radioaktiver Strahlung oder jeder anderen Form hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Der Aufwand zur Lagerung magnetischer Speicher ist sicherlich nicht so groß wie der zur Lagerung von DNA.
Der Punkt ist, dass die Frage wie lange z. B. CDs wirklich auslesbar bleiben im Grunde ungeklärt ist. Zuverlässige Langzeitstudien über Jahrhunderte oder Jahrtausende, kann es natürlich nicht geben. Das hier kann man z. B. über die Lebensdauer von CDs in der Wikipedia lesen:
Die Frage, wie lange die Daten effektiv gelesen werden können, ist offen. Schätzungen schwanken zwischen 10 und 50 Jahren, wobei die Alterung sehr stark von Temperaturschwankungen abhängig ist; auch Sonnenlicht lässt die Medien sehr viel schneller altern. Sicher ist, dass Daten auf CD-ROM bedeutend kürzer als auf Papier oder Pergament halten. Man geht davon aus, dass eine optimale Lebensdauer durch Lagerung bei konstant 20 °C in absoluter Dunkelheit erreicht werden kann. Allerdings spielt auch die Produktqualität eine große Rolle, so können schlecht produzierte CDs durchaus nach einigen Jahren Leseprobleme aufweisen.
Bei der DNA ist der Beweis der Langlebigkeit dagegen erbracht: Wenn die DNA in einem Mammut, dass zufällig an einem Ort verendet ist, an dem der Kadaver im Permafrostboden eingeschlossen wurde, auslesbar bleibt, dann sollte es es defnitiv möglich sein bei Lagerung in kontrollierter Umgebung die optimale Lebensdauer der DNA zu erreichen.
Aber es gibt noch einen anderen Aspekt der für die DNA spricht, der hier noch gar nicht erwähnt wurde: Der technologische Fortschritt. Ich meine, wir reden hier ja von Langzeitarchivierung. Warum sollten die Menschen in hundert oder gar tausend Jahren (so es uns dann noch gibt) die geeignete Technik haben, um CDs auslesen zu können? Es ist ja nicht mal mehr so ohne weiteres möglich ein Gerät zu kriegen, mit dem man Betamax-Bänder abspielen kann - und da reden wir nur von ein paar Jahrzehnten. Aber egal wie fortschrittlich unsere Technik auch werden sollte, solange die Menschen sich für Erbgut und Genetik interessieren, solange wird man auch DNA-Stränge auslesen können...;)
 

bluez

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Bei der DNA ist der Beweis der Langlebigkeit dagegen erbracht: Wenn die DNA in einem Mammut, dass zufällig an einem Ort verendet ist, an dem der Kadaver im Permafrostboden eingeschlossen wurde, auslesbar bleibt, dann sollte es es defnitiv möglich sein bei Lagerung in kontrollierter Umgebung die optimale Lebensdauer der DNA zu erreichen.
Erstmal nicht. Von den vielen Hundertausenden, vielleicht Millionen Mammuts die mal gelebt haben - wieviel DNA ist davon übriggeblieben und wieviel wurde zu Braunkohle? :p

Nochmal: Tatsache ist natürlich, dass DNA, solange sie nicht zerstört wurde, auslesbar ist und bleibt. ABER: sie ist relativ leicht zu zerstören.
Ich habe mich ja bisher nur zum Aspekt der angeblichen Langlebigkeit/Lebensdauer geäußert, nicht zur Speicherdichte, Nützlichkeit, usw..

Die "kontrollierte Umgebung" die du beschreibst entspricht den Bedingungen, oder übertrifft sogar teilweise die Vorraussetzung, die für die LAgerung von Magnetbändern, CDs oder Mikrofilm gelten. Das Einzige was ich damit sagen will, ist dass man sehr vorsichtig bei der Beurteilung der Lebensdauer von DNA sein sollte und dass ich behaupte, dass DNA in absehbarer Zeit Magnetband und Mikrofilm nicht ersetzen wird. (DAbei rede ich von LAngzeitspeicherung, NICHT von irgendwelchen anderen Einsatzgebieten).
 

Tarantoga

Moderator
bluez hat gesagt.:
Von den vielen Hundertausenden, vielleicht Millionen Mammuts die mal gelebt haben - wieviel DNA ist davon übriggeblieben und wieviel wurde zu Braunkohle?
Dir ist aber schon klar, dass es ein großer Unterschied ist, ob wir von DNA in Tierkadavern reden, die einfach irgendwo verrottet sind oder von synthetischer DNA, die nur zum Zweck der Datenspeicherung erschaffen wurde und entsprechend gelagert wird?
Noch einmal: Bei allen anderen Speichermedien kann es nur Schätzungen geben, wie lange die Datenintegrität bei optimaler Lagerung wirklich ist. Bei der DNA wissen wir das die Datenintegrität über Jahrtausende gewahrt bleiben kann.

bluez hat gesagt.:
Die "kontrollierte Umgebung" die du beschreibst entspricht den Bedingungen, oder übertrifft sogar teilweise die Vorraussetzung, die für die LAgerung von Magnetbändern, CDs oder Mikrofilm gelten.
Tatsächlich? Eigentlich braucht es doch nur einen Kühlraum der gegen Sonnenlicht (idealerweise vielleicht noch mittels Bleiverkleidung gegen Strahlung) geschützt ist, besonders aufwendig klingt das jetzt eigentlich nicht...:)
Bei den Mammuts und Neandertalerknochen hat's sogar ganz ungeplant geklappt - da wäre es doch gelacht, wenn wir das nicht geplant hinkriegen, hm?
 

bluez

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Um mich dann doch mal allgemein zu der Thematik zu äußern:
Ich finde die Entwicklung in diesem Bereich hochinteressant und leider viel zu wenig in der Öffentlichkeit beleuchtet.
Neu ist das aber nicht. Ich frage mich warum der Springer-Verlag das erst jetzt in dem neuen Wochen-Format bringt, wo ich mir doch sicher bin diese Meldung bereits früher im Monats-Heft gelesen zu haben. Die Meldung reiht sich wohl ein in das Bestreben "Bio"-Computer zu verwenden. Auch da gab es schon vor Monaten Kurzmeldungen zu praktischen Umsetzungen. Ebenso zu biologischen Nano-Robotern.

Zurück zum konkreten Artikel über den Speicher:
Ich denke der Ansatz ist sehr vielversprechend und äußerst spannend. Das Tolle an dem Ganzen ist, aus meiner Sicht, die Einfachheit. DNA ist ein nun wirklich uraltes Konzept zudem ist unfassbar viele Werkzeuge gibt. Natürliche Werkzeuge, meine ich.
Mir stellst sich jedoch noch die Frage für das Anwendungsziel:
Mit der gegenwärtigen Technik dauert das Schreiben und Auslesen viel länger als jedes vergleichbare Speichersystem - und ich vermute das wird, angesichts der Komplexität des Moleküls, der langwierigen Faltungsvorgängen und sämtlicher notwendiger Enzyme und deren Reaktionsverläufen und -bedingungen auch noch ziemlich lange so bleiben.

Derzeit bleibt wohl nur die Ausnutzung der ungeheuren Speicherdichte zur Speicherung großer Datenmengen über längere Zeiträume - was ich dazu einzuwenden habe, habe ich ja oben lang und breit ausgeführt :D


Für mich als technischen Laien stellt sich aber noch eine andere Frage, die vielleicht jemand von euch beantworten kann: Was macht die Speicherdichte so hoch? Jedes einzelne Nuklid ist schon relativ komplex und die DNA insgesamt ist bis zur Unglaublichkeit kompliziert und gigantisch.
Beruht die Dichte der DNA nicht auf der Tatsache, dass man hier ein Vierersystem benutzen kann, während man bei klassischen Speichern (ausgenommen Mikrofilm) auf binäre Systeme angewiesen ist? Könnte man nicht auch anorganische, und damit kleinere, simplere, stabilere Moleküle nutzen um ähnliche oder gar höhere Dichten zu erreichen indem man z.B. mehr Quantenzustände ausnutzt oder meinetwegen ganze Moleküle dreidimensional magnetisch ausrichtet? Ist es nicht eine Frage der Messtechnik ob wir nicht noch dichtere Systeme mit anorganischen MAterialien realisieren können?
 

bluez

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Bei allen anderen Speichermedien kann es nur Schätzungen geben, wie lange die Datenintegrität bei optimaler Lagerung wirklich ist. Bei der DNA wissen wir das die Datenintegrität über Jahrtausende gewahrt bleiben kann.
Ich habe doch mehrfach betont, dass die Integrität hervorragend ist, aber dass das Medium selbst sehr empfindlich ist. Bei klassischen Speichern ist es eher umgekehrt.
Im Übrigen kannst du natürlich auch hier nur SCHÄTZEN wie lange deine DNA unter bestimmten Bedingungen erhalten bleibt. Es sei denn du frierst sie tatsächlich ein (permanenter, hoher Energie- und Wartungsbedarf).

Tatsächlich? Eigentlich braucht es doch nur einen Kühlraum der gegen Sonnenlicht (idealerweise vielleicht noch mittels Bleiverkleidung gegen Strahlung) geschützt ist, besonders aufwendig klingt das jetzt eigentlich nicht...:)
Bei den Mammuts und Neandertalerknochen hat's sogar ganz ungeplant geklappt - da wäre es doch gelacht, wenn wir das nicht geplant hinkriegen, hm?
Und wie lagerst du Mikrofilme oder Magnetbänder? Der Aufwand da ist deutlich geringer.
Von den Milliarden von Tieren und Menschen die damals gelebt haben, haben wir nur eine handvoll DNA von Exemplaren die zufällig unter Idealbedingungen konserviert wurden (was eine Sensation ist). Ich meine auch die DNA wäre nicht vollständig intakt, sondern bereits im Zerfall begriffen. Du kannst die benötigten niedrigen Temperaturen künstlich nur mit hohem Energieaufwand bereitstellen.
 

bluez

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Nicht zu vergessen die Epigenetik. Die Methylierung und Acetylierung von Ketten, die darüber bestimmt ob und wie die Kette transkribiert wird. Das dürfte die Informationsdichte nochmal potenzieren, aber auch das Lese- und Schreibsystem sehr viel komplexer machen.
 

Orniflyer

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Also ich finde den DNA ansatz auch recht sinnvoll - einfach aufgrund der kosten und der redundanz
im gegensatz zu allen konkurrenzdatenträgern geht der materialkostenaufwand von dna gegen 0, auch die synthese ist eigentlich alles andere als (wirklich) kostspielig

wo liegt denn das problem eine information in x-facher redundanz mit jeweils y gramm über z langzeitdatenspeicherorte zu verteilen ?

wie gesagt bräuchte man nicht viel mehr als eine anständige kühlkammer mit strahlungsschutz ummantellung

ich hab nun keinen blick in deren algorithmus geworfen - aber spätestens seit es qr codes gibt wissen wir alle das man bitstrings sehr gut gegen partiellen verfall schützen kann (auch wenn natürlich deutlich mehr speicher notwendig wird)

aber das ist ja das schöne - dna hat ein absurd gutes kosten-größen zu speicherplatz verhältnis
 

-=Draven=-

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Zum Themakosten die Orte wo jetzt schon unsere Saaten gespeichert werden sind kalt genug da braucht es keinerlei Kühlung zumindest wenn wir es nicht weiter mit der Klimaerwärmung übertreiben... Die Anlagen sollten auch dunkel genug sein also müsste man das ganze nur vor Strahlungen etc. schützen.

Wenn ich an DNA Speicherung denke schimmert mir immer so eine bläuliche Suppe in einem geschlossenen System vor dem Augen daher.. war wohl doch zuviel Star Trek... Die Bio-Neuralen Gel Packs der Voyager waren blau :rolleyes:
 

Tarantoga

Moderator
Das Team von Robert Grass an der ETH Zürich hat gerade eine Publikation über ihre Erforschung der DNA als Langzeitspeichermedium veröffentlicht. Die Forscher beschränken sich da nicht nur auf die Lagerung der DNA unter kontrollierten Bedingungen, sie haben ein Verfahren zur künstlichen "Versteinerung" entwickelt - scheinbar mit erstaunlichen Ergebnissen:
Auf diese Weise sollen auch vom Verfall bedrohte digitale Daten sehr lange haltbar bleiben: Nach Angaben der Forscher kann das so geschützte Erbgut bei Temperaturen um minus 18 Grad Celsius und unter idealen Bedingungen selbst in einer Million Jahren noch korrekt gelesen werden.
Quelle: DNA haltbar für hunderttausende Jahre - Spektrum der Wissenschaft
 

Chromatin

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Ich hoffe nur, dass die ne Bauanleitung fuer die Lesegeräte aus Papier dazulegen.. falls in einer Mio Jahren mal jemand das Zeug findet :D
 

Orniflyer

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Wie in sehr vielen anderen Forschungsfeldern versuchen wir auch hier etwas von "Mutter Natur" abzugucken

Es ist schon erstaunlich wie effizient randomisierte Mutation und natürliche Selektion über lange Zeiträume zusammenwirken.

Das Gute an der DNA Speichermethode wird wohl sein, dass es nicht besonders teuer ist (da sehr geringer Materialaufwand) Daten in DNA Form zu sichern - sodass man ruhig mit der Redundanz übertreiben kann.

Alles in Allem bricht es auf ein Effizienzproblem runter - wenn man es schafft dass die Schreib- und Lesegeräte möglichst schnell arbeiten können und auch noch wenig Ressourcen benötigen (wovon ich ausgehe), dann werden wir diese Technologie sehr bald weit verbreitet sehen.
 

Chromatin

Moderator
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Alles in Allem bricht es auf ein Effizienzproblem runter - wenn man es schafft dass die Schreib- und Lesegeräte möglichst schnell arbeiten können und auch noch wenig Ressourcen benötigen (wovon ich ausgehe), dann werden wir diese Technologie sehr bald weit verbreitet sehen.

Das bezweifle ich mal sehr. Es gab schon vor Jahren andere, effizientere Speichermöglichkeiten, die aber nie den Weg in die Praxis fanden. Im Grunde schreiben wir das allermeiste noch immer auf Festplatten, die seit einem halben Jahrhundert auf dem selben Prinzip arbeiten und womit etablierte Hersteller noch immer reichlich Geld verdienen. Zudem haben wir es in der Praxis mit dem BUS System zu tun, da spielt es auch einfach keine Rolle, wie schnell Platten/Speicher I/O ist, wobei dem Verwalten großer Mengen eben auch die Zugriffe im Weg stehen ;)

Ich denke diesen "Innovationsstau" in der IT wird man solange "ertragen" müssen, bis jemand mit einer komplett neuartigen Computer Architektur auf den Markt kommt, der im ersten Schritt völlig kompatibel ist, zur bisherigen Architektur. Die neue Architektur wird dann über diverse Features, die man "enablen" kann, Stück für Stück in den Markt gedrückt.

Bis dahin werden neue Kompressionsverfahren/Codecs der Grund sein, warum man mit der "alten" Technik noch ein halbes Jahrhundert zufrieden sein wird ;)
 
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