Daten in Molekülstrukturen sichern Fehleranfälligkeit von DNA-Datenspeichern getestet

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Lösen DNA-Moleküle herkömmliche Datenspeicher ab? Tatsächlich lässt sich Information in künstlich erzeugter DNA stabil und lange speichern. Doch auch diese Methode kann Fehlern unterliegen. Ein Forscherteam hat nun untersucht, nach welchem Kodierungsschema sich Daten in Molekülstrukturen möglichst korrekt und preiswert umsetzen lassen.

Flash-Speicher und SSD-Festplatten waren gestern, denn die gängigen Speichermedien überdauern nur verhältnismäßig kurz, in der Regel nur wenige Jahre. In Zukunft könnten Daten in künstlich erzeugten DNA-Molekülen gesichert werden. „Die hohe Informationskapazität und lange Lebenserwartung der DNA, verbunden mit sinkenden Kosten für die DNA-Synthese und -Sequenzierung, macht DNA zu einer attraktiven Alternative zur herkömmlichen Datenspeicherung“, sagt der Marburger Informatiker Prof. Dr. Dominik Heider, der Leitautor eines in Nature Communications veröffentlichten Fachaufsatzes. Er leitet das Marburger Forschungsprojekt „Mosla“, das DNA als molekularen Speicher zur Langzeit-Archivierung in den Blick nimmt.

Datenspeicher

In DNA gemeißelt: DNA als Speichermedium

Den genetischen Code als Speicher nutzen

„In DNA-Speichern werden die digitalen Informationen zunächst in eine DNA-Sequenz übersetzt“, erklärt Heiders Mitarbeiter Marius Welzel, der Erstautor des Fachaufsatzes. Im nächsten Schritt wird die DNA gemäß dieser Vorlage synthetisiert, also chemisch hergestellt. „Die Buchstabenfolge der DNA kann jederzeit mit Sequenzierern ausgelesen werden, um die gespeicherten Informationen abzurufen.“

Jeder dieser Schritte kann zu Fehlern führen. Beim Schreiben, Speichern und Lesen von DNA sind etliche Besonderheiten zu berücksichtigen, die DNA-Sequenzen einhalten müssen. So muss die DNA einen bestimmten Gehalt von zwei ihrer vier wiederkehrenden Einzelbausteine aufweisen. Fachleute sprechen vom CG-Gehalt, abgeleitet von den DNA-Basen Cytosin und Guanin.

Kodierungsschema getestet

Will man digitale Informationen in Form von DNA aufbewahren, so empfiehlt sich das Kodierungsschema „DNA-Aeon“, um die Originaldaten in DNA-Code umzuwandeln. Die Marburger Wissenschaftler überprüften, wie dieses Schema gegenüber Konkurrenzprodukten abschneidet. Der Vergleich mit anderen Codes belegt, dass DNA-Aeon bessere Fehlerkorrekturmöglichkeiten bietet, obwohl die DNA-Synthese geringere Kosten verursacht. „Die mit DNA-Aeon kodierten Daten weisen keine unerwünschten Muster auf, was die Widerstandsfähigkeit gegen Fehler erhöht“, berichtet Heider. „Unsere Tests zeigen eine hohe Zuverlässigkeit von DNA-Aeon.“ (clu)

Originalpublikation: Marius Welzel et al.: DNA-Aeon Provides Flexible Arithmetic Coding for Constraint Adherence and Error Correction in DNA Storage, Nature Communications 14, Article number: 628 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-36297-3

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