Voll funktionsfähige DNA-basierte Datenspeicherung dank neuester Errungenschaft möglich

In der heutigen hyperdigitalen Welt ist jedes Unternehmen auf Daten angewiesen. Die Menge an Geschäftsdaten wächst rasant, insbesondere durch das Aufkommen fortschrittlicher Technologien wie Datenanalyse, die Internet der Dinge (IoT)und KI, die beide riesige Datenmengen generieren und nutzen.

Diese Daten sind potenziell wichtig und es ist heute wichtiger denn je, sie effizient, zuverlässig und sicher zu sichern. Zum Speichern von Daten benötigen Sie Speicherlösungen, um wichtige Informationen effektiv abrufen, organisieren, verwalten, freigeben und verwenden zu können.

Ihr Computer verfügt zwar über Speicherkapazität, diese ist jedoch begrenzt und auf einem Gerät gespeichert. Sie kann daher nur genutzt werden, solange das Gerät eingeschaltet ist, und bleibt dort bis zum Löschen erhalten. Um Ihre Daten langfristig zu speichern, benötigen Sie Datenspeicherlösungen.

Die Speichergeräte sind hauptsächlich geteilt in zwei Gruppen:

• Direkter Bereichsspeicher (DAS)
• Netzwerkbasierter Speicher

DAS ist direkt mit dem Computer verbunden, der darauf zugreift. Es kann zwar anständige lokale Backup-Dienste bereitstellen, die gemeinsame Nutzung ist jedoch eher eingeschränkt. Zu den Geräten dieser Kategorie gehören Disketten, Flash-Laufwerke und optische Datenträger wie CDs und DVDs. 

Heutzutage ist netzwerkbasierter Speicher die beste Option für die gemeinsame Nutzung und Zusammenarbeit von Daten, da er mehreren Computern den Datenzugriff über ein Netzwerk ermöglicht. Netzwerkbasierte Speicherkonfigurationen gibt es hauptsächlich in zwei Typen: Network-Attached Storage (NAS) und Storage Area Network (SAN). 

Bei NAS handelt es sich um ein Gerät, das an ein Netzwerk angeschlossen ist. Hier erfolgt die Datenspeicherung und -abfrage von einem zentralen Standort aus. Diese kostengünstige Netzwerkspeicheroption ermöglicht es mehreren Benutzern, Dateien über ein TCP/IP-Netzwerk per WLAN oder Kabel zu speichern und freizugeben.

SAN ist ein spezialisiertes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das gemeinsam genutzte Pools von Speichergeräten mit mehreren Servern verbindet. Es umfasst mehrere Geräte verschiedener Art, darunter:

Eine Solid-State-Disk (SSD) ist eine Art Festplatte, die schneller ist als herkömmliche Festplatten mit Flash-Speicher und Flash-Laufwerken. Dabei handelt es sich um elektronisch basierte Optionen, bei denen Daten durch Lösch- oder Schreibvorgänge aktualisiert werden können. Hybridspeicher hingegen umfassen eine Mischung verschiedener Speichertypen: Flash-Speicher, SSDs und mechanische Festplattenlaufwerke (HDDs).

Cloud-Speicher ist eine weitere kostengünstige und skalierbare Methode, da Daten virtuell gespeichert werden und daher Zugriff auf das Internet oder ein privates Netzwerk erfordern. Hybrider Cloud-Speicher verwendet für unterschiedliche Workloads unterschiedliche Clouds (öffentliche, private und hybride). 

Entwicklung neuer Technologien zur effizienteren Speicherung digitaler Daten 

Trotz all dieser Optionen sucht die Welt nach effizienteren Lösungen angesichts eines digitalen Universums, das voraussichtlich etwa 175 Zettabyte Daten jährlich bis 2025. Eine wachsende Gruppe von Forschern plädiert mittlerweile für DNA als stabile und nachhaltige Option, um diesen Bedarf zu decken.

DNA wird bereits als Datenspeicher genutzt, obwohl dies noch in den Kinderschuhen steckt. eine Marktgröße von nur 70 Millionen DollarEs wird jedoch geschätzt, dass das jährliche Wachstum bis 80 bei über 2032 % liegt.

DNA-Datenspeicherung ist genau das, was der Name sagt: die Speicherung digitaler Daten in DNA (oder Desoxyribonukleinsäure), dem Molekül, das genetische Informationen für die Entwicklung und Funktion eines Organismus enthält. 

Zur Erzeugung der DNA verbinden sich vier verschiedene Nukleotide – Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) – zu einer Doppelhelixstruktur, in der sich zwei verbundene Stränge umeinander winden.

Beim Speichern von Daten in DNA werden die binären Daten in synthetisierten DNA-Strängen kodiert und dann von diesen dekodiert. DNA ist dafür bekannt, stabil, dicht und langlebig zu sein. Diese Eigenschaften machen DNA zu einem attraktiven Speichermedium. 

„Synthetische DNA hat das Potenzial, um ein Vielfaches mehr Daten zu speichern als heutige Geräte, und zwar auf eine Weise, die wesentlich nachhaltiger zu sein verspricht.“

– Karin Strauss, Senior Principal Research Manager bei Microsoft Research

Neben der Datenspeicherung hat die DNA auch wurde erforscht für die Datenverarbeitung. DNA-Computing ist seit vielen Jahrzehnten Gegenstand von Forschung und Entwicklung, da es unter anderem Vorteile in Bezug auf Skalierbarkeit, Langlebigkeit und Energieeffizienz bietet.

Bereits 2019 haben Forscher von Microsoft und der University of Washington stellte das erste vollautomatische System vor zum Speichern und Abrufen von Daten mithilfe synthetisierter DNA. Dabei wurde „Hallo“ in die Moleküle der im Labor hergestellten synthetischen DNA kodiert und anschließend wieder zurückkonvertiert.

Jüngste Durchbrüche in der molekularen Informatik lassen darauf schließen, dass wir in naher Zukunft vielleicht sogar in der Lage sein werden, ganze Computernetzwerke in lebenden Zellen zu betreiben. DNA-Speicher gibt es zwar schon seit einiger Zeit, aber die neue Studie präsentiert den ersten funktionsfähigen molekularen Computer, der sowohl Daten speichern als auch rechnen kann, und zwar über DNA, anstatt Strom zu verwenden.

Anfang des Jahres haben Ingenieure der University of Minnesota und des Rochester Institute of Technology (RIT) einen Weg gefunden um in DNA gespeicherte Daten zu verarbeiten. Dieser „mikrofluidische integrierte Schaltkreis“ ist so konzipiert, dass er über künstliche neuronale Netzwerkberechnungen auf in DNA gespeicherten Daten arbeitet. Laut dem Co-Autor des Artikels, Amlan Ganguly:

„Wir befinden uns im Zeitalter großer Datenmengen, die irgendwo gespeichert werden müssen.“

Er merkte auch an, dass der Bau weiterer Rechenzentren nicht die Lösung sei, da jedes davon Konstruktions-, Wartungs- und Betriebsaufgaben erfordere, was nicht nachhaltig sei.

In dieser Studie wurde vorgeschlagen, Zahlen durch die Konzentrationen von Lösungen darzustellen, die gezielt manipulierte DNA-Moleküle enthalten. Diese Manipulation würde Rechenoperationen wie Addition, Multiplikation und andere nichtlineare Funktionen darstellen, die für die Durchführung von Netzwerkberechnungen wesentlich sind.

Vor ein paar Jahren haben Mark Bathe, ein MIT-Professor für Biotechnik, und seine Kollegen ebenfalls präsentiert eine Möglichkeit, die gewünschte Datei aus einer Mischung vieler DNA-Stücke herauszusuchen. Dazu kapselten die Forscher jede Datendatei in ein 6 μm großes Kieselsäurepartikel ein, das mit kurzen DNA-Sequenzen markiert war, die den Inhalt preisgaben.

Quelle: MIT-Nachrichten

Bathe sprach über das enorme Potenzial der DNA, den steigenden Anforderungen an die Speicherung riesiger Datenmengen gerecht zu werden. Er wies auf die faszinierende Eigenschaft hin, dass nach der Herstellung des DNA-Polymers keine Energie mehr verbraucht wird. Man schreibt die DNA einfach und kann sie unbegrenzt speichern.

Forscher haben sogar vorgeschlage Nutzung der Stabilität und Haltbarkeit der DNA zur Kodierung digitaler Daten, um digitale Vermögenswerte zu sichern und zu schützen.

Immer mehr Forscher und Organisationen sind Untersuchung des Potenzials von DNA zur Datenspeicherung und Berechnung. Der globale Datenspeichermarkt liegt derzeit bei $ 217 bln und Bis zum Ende dieses Jahrzehnts wird ein Volumen von sage und schreibe 777.98 Milliarden US-Dollar prognostiziert.

Durchbruch bei DNA-basiertem Computing revolutioniert die Datenspeicherung

In der neusten Studie veröffentlicht in der Naturdemonstrierten Forscher der Johns Hopkins University und der North Carolina State University eine Technologie mit Datenspeicher- und Computerfunktionen, die anstelle von Elektronik DNA verwendet.

Diese Technologie kann Daten wiederholt speichern, abrufen, berechnen, löschen oder neu schreiben. Bisherige DNA-Speicher- und Rechentechnologien konnten zwar einige dieser Aufgaben erfüllen, aber nicht alle.

„Bei herkömmlichen Computertechnologien setzen wir voraus, dass die Art und Weise, wie Daten gespeichert und verarbeitet werden, miteinander kompatibel ist.“

– Albert Keung, Studienleiter und außerordentlicher Professor für chemische und biomolekulare Technik an der NC State

Er fügte auch hinzu:

„Aber in Wirklichkeit erfolgen Datenspeicherung und Datenverarbeitung in getrennten Teilen des Computers, und moderne Computer sind ein Netzwerk komplexer Technologien.“ 

Angesichts der Tatsache, dass DNA-basierte Daten in Form von Nukleinsäuren gespeichert sind, ist es für die DNA-Computertechnik schwierig, diese Daten zu speichern, abzurufen und zu berechnen.

Was elektronische Computer so attraktiv macht, ist die Kompatibilität aller Komponenten eines Geräts. Bei der DNA-Datenspeicherung ist dies jedoch nicht der Fall. DNA-basierte Datenspeicherung bietet zwar langfristige Vorteile, doch man geht davon aus, dass die Entwicklung einer DNA-Technologie, die das gesamte Funktionsspektrum herkömmlicher elektronischer Geräte abdeckt, schwierig oder unmöglich sein wird. 

Nun zeigt die neueste Studie, dass diese DNA-basierten Technologien tatsächlich „durchführbar sind, weil wir eine entwickelt haben“.

Dies wurde mithilfe neuer Techniken erreicht, die die Herstellung weicher Polymermaterialien mit einzigartiger Morphologie ermöglicht haben. Laut dem Co-Autor des Artikels, Orlin Velev:

„Insbesondere haben wir Polymerstrukturen geschaffen, die wir Dendrikolloide nennen – sie beginnen im Mikromaßstab, verzweigen sich aber hierarchisch voneinander und bilden so ein Netzwerk aus Fasern im Nanomaßstab.“  

Im Jahr 2019 zeigten Untersuchungen der North Carolina State University, dass verschiedene unter besonderen Bedingungen aus Lösungen ausgefällte Polymere einzigartige, weiche dendritische Partikelmaterialien mit besonderen Haft- (ähnlich denen von Geckofüßen, die es ihnen ermöglichen, an praktisch jeder Oberfläche zu haften) und strukturbildenden Eigenschaften erzeugen können.

Velev berichtete damals, dass er mithilfe der „flüssigen“ Nanoherstellung Polymere in verzweigte Partikel umwandelte, nachdem er das Polymer aufgelöst und die Lösung schnell mit einer anderen Flüssigkeit vermischt hatte. Durch diese schnelle Mischung in turbulenter Strömung, einem von Natur aus chaotischen Prozess, entstanden verzweigte Partikel in hierarchischen Strukturen.

NC State hat außerdem ein Patent auf die weichen dendritischen Materialien sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung angemeldet.

Für die Studie zur DNA-Speicherlösung haben sie nun eine Struktur entwickelt, die eine große Oberfläche aufweist, sodass die Forscher DNA zwischen den Nanofibrillen ablagern können. Dieser wurde erreicht ohne Einbußen bei der Datendichte, was DNA für die Datenspeicherung attraktiv macht.

„Man könnte die Daten von tausend Laptops in einem DNA-basierten Speicher unterbringen, der so groß ist wie ein Radiergummi.“

– Keung

Der Erstautor des Artikels, Kevin Lin, ein ehemaliger Doktorand an der NC State, erklärte, dass die Fähigkeit, zwischen DNA-Informationen und den Nanofasern, auf denen sie gespeichert sind, zu unterscheiden, die Ausführung vieler derselben Funktionen ermöglicht, die man mit elektronischen Geräten durchführen kann. 

Ihm zufolge können die DNA-Informationen direkt von der Oberfläche des Materials kopiert werden, ohne die DNA selbst zu beschädigen. Neben der Möglichkeit, gezielt DNA-Stücke zu löschen und sie dann auf derselben Oberfläche neu zu schreiben, ergab die Studie, dass das Ablagern von DNA auf dem dendrikolloiden Material tatsächlich dazu beiträgt, die DNA zu erhalten.

Velev merkte an, dass sie mit der Studie „das Äquivalent von Mikroschaltkreisen bereitstellen“ und das dendrikolloidale Material die Leiterplatte bereitstellt.

Diese neue DNA-basierte Speicher- und Computertechnologie, die als „primordiale DNA-Speicher- und Rechenmaschine“ bezeichnet wird, ist auch in der Lage, einfache Sudoku- und 3×3-Schachaufgaben zu lösen. Tests deuten darauf hin, dass die Technologie Daten Tausende von Jahren lang sicher speichern könnte. Darüber hinaus ist „das dendrokolloidale Wirtsmaterial selbst relativ kostengünstig und einfach herzustellen“, so Velev.

Unternehmen, die sich mit der Speicherung und Berechnung von DNA-Daten befassen 

Angesichts der Bedeutung von Daten und des Bedarfs an effizienteren Lösungen beschäftigen sich mehrere Unternehmen mit DNA-Datenspeicherung, Computertechnik und Molekulartechnologien. Thermo Fisher Scientific (TMO) bietet beispielsweise umfassende Lösungen für DNA-Sequenzierung und Molekularbiologie, während Agilent Technologies (A) sich auf DNA-basierte Technologien konzentriert und Pacific Biosciences of California (PACB) auf Langlese-Sequenzierungstechnologie spezialisiert ist. Helixworks Technologies hat programmierbares DNA-Datenspeichermaterial entwickelt, um Datendateien oder kleine Anwendungen direkt in die Molekularstruktur eines Objekts zu kodieren.

Nun werfen wir einen genaueren Blick auf zwei prominente Namen in diesem Bereich. Diese beiden Firmen bildeten zusammen mit Microsoft, Western Digital und mehreren anderen Mitgliedsinstitutionen die DNA-Datenspeicherallianz. Ziel der Allianz ist es, dem digitalen Datenwachstum zu begegnen, indem sie eine kostengünstige, nachhaltige Lösung zur Archivierung von Daten auf der Basis von DNA bereitstellt und deren frühe Kommerzialisierung prüft.

# 1. Twist Bioscience Corporation 

Das Unternehmen ist auf synthetische DNA spezialisiert und konzentriert sich insbesondere auf DNA-Datenspeichertechnologien. Bei einer Marktkapitalisierung von 2.57 Milliarden US-Dollar notieren die Aktien von Twist Bioscience derzeit bei 43.98 US-Dollar, ein Plus von 19.32 % seit Jahresbeginn. Der Gewinn pro Aktie (EPS) beträgt -3.81 und das KGV (KGV) -11.53.

Für das zweite Quartal 2 hat das Unternehmen berichtet Umsatz von 75.3 Millionen US-Dollar, was einer Steigerung von 25 % gegenüber dem Vorjahresquartal entspricht. Die Bruttomarge stieg ebenfalls auf 41 % gegenüber 31 %. In der Zwischenzeit wurden in diesem Zeitraum etwa 193,000 Gene ausgeliefert. 293.3 Millionen US-Dollar wurde berichtet in Barmitteln, Barmitteläquivalenten und kurzfristigen Anlagen.

„Wir bleiben unserem Weg zur Profitabilität treu und fokussieren uns darauf.“

– CEO und Mitbegründerin Emily M. Leproust, Ph.D.

# 2. Illumina

Illumina ist führend in der Sequenzierung und Array-basierten Lösungen, die für die Verarbeitung und Speicherung von DNA-Daten unerlässlich sind. Bei einer Marktkapitalisierung von 20.77 Milliarden US-Dollar notieren die Aktien von Illumina derzeit bei 130.42 US-Dollar, was einem Rückgang von 6.33 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Der Gewinn pro Aktie (EPS) beträgt -19.18 und das KGV (KGV) -6.80.

Für das zweite Quartal 2 hat das Unternehmen berichtet Der Umsatz belief sich auf 1.09 Milliarden US-Dollar, was einem Rückgang von 6 % gegenüber dem 2. Quartal 23 entspricht. Die GAAP-Betriebsmarge betrug 40.5 %, die Non-GAAP-Betriebsmarge 22.2 %. Am Ende des Quartals verfügte das Unternehmen über 994 Millionen US-Dollar in bar, bargeldähnlichen Mitteln und kurzfristigen Anlagen.

„Das Team von Illumina hat in diesem Quartal Ergebnisse geliefert, die unsere Erwartungen übertrafen, was auf die disziplinierte Umsetzung unserer strategischen Prioritäten zurückzuführen ist.“

– CEO Jacob Thaysen

Fazit

Die zunehmende Digitalisierung der Welt bedeutet, dass digitale Daten exponentiell wachsen werden. Diese Datenexplosion wird die Kapazität bestehender Speichertechnologien bei weitem übersteigen und macht es erforderlich, neue Lösungen wie DNA-Speicher zu erforschen und einzuführen.

Wie die neue Studie zeigt, ermöglichen aktuelle Durchbrüche die Entwicklung einer vollständigen Palette von Datenspeicher- und Rechenfunktionen. Zu diesen Vorgängen gehören das Speichern und Verschieben von Daten sowie die Möglichkeit, bestimmte Datendateien zu lesen, neu zu schreiben, zu löschen, neu zu laden oder zu berechnen – und das alles auf programmierbare und wiederholbare Weise, ohne die DNA zu beschädigen.

DNA, ein bemerkenswertes Molekül, das in jeder lebenden Zelle vorkommt, bietet eine extrem hohe Dichte und ist damit die perfekte Langzeitspeicherlösung (nicht nur für Hunderte, sondern Tausende von Jahren). Dies weist auf ihr enormes Potenzial hin, die Welt der Speicherung und Datenverarbeitung zu verändern.

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