Oligopeptide

Beständiger Datenspeicher aus Biomolekülen vorgestellt

Beständiger Datenspeicher aus Biomolekülen vorgestellt

Wissenschaftler der Universität Harvard haben biologische Speicherchips aus Peptidverbindungen erzeugt, die aufgrund ihrer Langlebigkeit bei der Archivierung von digitalen Daten eine Alternative zu herkömmlichen Festplatten bieten. In Zukunft ist es laut den Wissenschaftlern theoretisch möglich die gesamte öffentliche Bibliothek von New York in einem Speicherchip zu archivieren, der die Größe eines Teelöffels besitzt.

Cambridge (U.S.A.). Die Lebensdauer herkömmlicher Speichermedien wie Festplatten, SSDs oder DVDs beträgt in den meisten Fällen nur wenigen Jahrzehnte. Zusätzlich sorgt die ständige Weiterentwicklung von Hard- und Software dafür, dass viele ältere Datenträger und Dateiformate unlesbar werden. Derzeit müssen Archive, um das digitale Vergessen zu verhindern, aus diesem Grund ständig in aktuelle Dateiformate konvertiert und auf neuen Speichermedien abgelegt werden.

Die Wissenschaft sucht deshalb schon seit langem nach alternativen Speichermedien, die eine höhere Haltbarkeit besitzen. Als Vorbild dient dabei die Natur, die seit Urzeiten Biomoleküle zur Speicherung großer Datenmengen nutzt. Wissenschaftler des New York Genome Center haben bereits im Jahr 2017 im Fachmagazin Science einen Artikel veröffentlicht, in dem eine Methode zur Speicherung von digitalen Informationen in der DNA beschrieben wurde. Laut einer Studie, die im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde, ist es Wissenschaftlern der Universität Harvard im gleichen Jahr gelungen, ein digitales Bild in einer lebenden Bakterie zu speichern.

Peptidverbindungen als Bits und Bytes

Brian Cafferty und sein Team von der Universität Harvard, haben nun im Fachmagazin ACS Central Science einen weiteren biologischen Datenspeicher vorgestellt. Anstatt seriellen Code in Makromolekülen abzulegen nutzt der neue Ansatz das unterschiedliche Molekülgewicht kleinster Peptidverbindungen zur Speicherung von digitalen Informationen. 

Ein einzelner Molekülchip speichert jeweils ein Byte. Zur Codierung sind maximal acht Oligopeptide im Chip enthalten, deren An- oder Abwesenheit in der Molekülmischung jeweils für eine 1 oder 0 steht. Ein Molekülchip, der den Buchstaben „K“ speichert, enthält vier spezifische Moleküle im Mikrobehälter, während vier weitere Oligopeptide fehlen. Die Abfolge der fehlenden und anwesenden Oligopeptide im Chip lautet dabei „01001011“, was im Binäralphabet dem fehlenden Großbuchstaben „K“ entspricht.

Laut den Wissenschaftlern liegt der größte Vorteil der Oligopeptide darin, dass sie sehr robust sind. Die Haltbarkeit der Moleküle liegt auch hohen Temperaturen und Trockenheit sowie in Umgebungen ohne Sauerstoff und in kompletter Dunkelheit bei hunderten bis tausenden Jahren. Sie sind somit wesentlich widerstandsfähiger und haltbarer als alle herkömmlichen Speichermedien.

Liquid Handlers speichern Oligopeptid-Code

Die Speicherung des Codes in den Molekülchips erfolgt durch sogenannte Liquid Handlers. Geschriebener Oligopeptid-Code kann anhand der Masse der Moleküle bestimmt werden, die im Labor mithilfe eines Massenspektrometers bestimmt wird. Cafferty erklärt, dass „die Information mit 99,9 Prozent Wiederherstellungspräzision geschrieben, gespeichert und gelesen werden.“ Derzeit liegt die Lesegeschwindigkeit bei 20 Bits pro Sekunde, dies soll laut den Wissenschaftlern aber noch deutlich gesteigert werden können.

Die Datendichte der Molekülspeicherchips liegt im derzeitigen Entwicklungsstand bei nur 64 Bytes pro Quadratzentimeter. Dies liegt daran, dass die aktuell genutzten Laborchips nur 384 Mikrogruben besitzen, deren Größe und Anzahl für die Datendichte der biologischen Speicherchips verantwortlich ist. Um zu belegen, dass das Konzept funktioniert, haben die Wissenschaftler einen einfachen Speicherchip erzeugt, bei dem kein Wert auf die Datendichte gelegt wurde. In Zukunft könnte durch die Nutzung modifizierter Tintenstrahldrucker, die statt der Mikrogruben einzelne Tröpfchen als Speicherorte erzeugen, eine wesentlich höhere Datendichte erzeugt werden. 

Laut Cafferty „könnte theoretisch damit eines Tages die gesamte öffentliche Bibliothek von New York in einem Teelöffel gespeichert werden.“ Neben Oligopeptiden ist es möglich auch andere Moleküle mit definierten Massen wie zum Beispiel Aminosäuren, Fettsäuren oder aromatische Kohlenwasserstoffe zur Speicherung von Daten zu verwenden.

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