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Das Weltwirtschaftsforum (WEF) bat eine Gruppe internationaler Technologieexperten, die diesjährigen Top 10 der aufstrebenden Technologien zu ermitteln. Nachdem die Gruppe bei weiteren Experten auf der ganzen Welt Nominierungen eingeholt hatte, bewertete sie Dutzende von Vorschlägen gemäß einer Reihe von Kriterien. Haben die vorgeschlagenen Technologien das Potenzial, den Gesellschaften und Volkswirtschaften einen großen Nutzen zu bringen? Könnten sie die etablierten Vorgehensweisen ändern? Werden sie in den nächsten Jahren voraussichtlich erhebliche Fortschritte machen? „Technologien, die heute entstehen, werden die Welt morgen bald und weit in die Zukunft gestalten – mit Auswirkungen auf die Wirtschaft und die Gesellschaft insgesamt”, sagte Mariette DiChristina, Chefredakteurin von Scientific American und Vorsitzende des Emerging Technologies Steering Committee. Auf der Suche nach den Ursprüngen der Innovation wird IO die Top-10 der aufkommenden Technologien des WEF in einer 10-teiligen Serie präsentieren. Heute Teil 9: DNA-Datenspeicherung

Nach der Veröffentlichung von Teil 10 finden Sie die gesamte Serie hier.

Im Jahr 2018 führte Google pro Minute 3,88 Millionen Suchanfragen durch, die Menschen sahen sich 4,33 Millionen Videos auf YouTube an, schickten 159.362.760 E-Mails, twitterten 473.000 Mal und veröffentlichten 49.000 Fotos auf Instagram, so das Softwareunternehmen Domo. Bis 2020 werden weltweit schätzungsweise 1,7 Megabyte Daten pro Sekunde und Person entstehen, was bei einer Weltbevölkerung von 7,8 Milliarden Menschen etwa 418 Zettabyte in einem Jahr (Informationswert der Festplatte von 418 Milliarden Terabyte) entspricht. Die magnetischen oder optischen Datenspeichersysteme, die derzeit dieses Volumen von 0s und 1s halten, können in der Regel nicht länger als ein Jahrhundert halten, falls überhaupt so lange. Darüber hinaus verbraucht der Betrieb von Rechenzentren viel Energie. Kurz gesagt, wir stehen kurz vor einem ernsthaften Problem der Datenspeicherung, das mit der Zeit immer gravierender wird.

Immense Datenmengen

Bei einer Alternative zu Festplatten werden Fortschritte erzielt: DNA-basierte Datenspeicherung. Die DNA – die aus langen Ketten der Nukleotide A, T, C und G besteht – ist das Informationsspeichermaterial des Lebens. In der Reihenfolge dieser Buchstaben können Daten gespeichert werden, was die DNA zu einer neuen Form der Informationstechnologie macht. Es wird bereits routinemäßig sequenziert (gelesen), synthetisiert (geschrieben) und probemlos präzise kopiert. Die DNA ist auch unglaublich stabil, wie die vollständige Genomsequenzierung eines fossilen Pferdes zeigt, das vor mehr als 500.000 Jahren lebte. Und die Speicherung erfordert nicht viel Energie.

Aber es ist die Speicherkapazität, die glänzt. Die DNA kann riesige Datenmengen mit einer Dichte genau speichern, die weit über der von elektronischen Geräten liegt. Laut Berechnungen von George Church von der Harvard University und seinen Kollegen, die 2016 in Nature Materials veröffentlicht wurden, hat das einfache Bakterium Escherichia coli (E.coli) zum Beispiel eine Speicherdichte von etwa 1019 Bit pro Kubikzentimeter. Bei dieser Dichte könnte der gesamte aktuelle Speicherbedarf der Welt für ein Jahr durch einen DNA-Würfel von etwa einem Meter Seitenlänge locker abgedeckt werden.

Die Aussicht auf eine DNA-Datenspeicherung ist nicht nur theoretisch. Im Jahr 2017 nutze die Kirchengruppe in Harvard beispielsweise die CRISPR DNA-Editing-Technologie, um Bilder einer menschlichen Hand im Genom von E.coli aufzuzeichnen, die mit einer Genauigkeit von mehr als 90% ausgelesen wurden. Und Forscher der University of Washington und Microsoft Research haben ein vollautomatisches System zum Schreiben, Speichern und Lesen von in DNA kodierten Daten entwickelt. Eine Reihe von Unternehmen, darunter Microsoft und Twist Bioscience, arbeiten an der Weiterentwicklung der DNA-Speicher-Technologie.

Molekulare Identifizierung – „Tags”

James Dahlman, © GeorgiaTech

Mittlerweile wird die DNA bereits von Forschern genutzt, die damit kämpfen, enorme Datenmengen sinnvoll zu verwalten. Die jüngsten Fortschritte bei den Sequenzierungstechniken der nächsten Generation ermöglichen es, dass Milliarden von DNA-Sequenzen einfach und gleichzeitig gelesen werden können. Dadurch können Forscher Barcodes – die Verwendung von DNA-Sequenzen als molekulare Identifikations-„Tags” – einsetzen, um die experimentellen Ergebnisse im Auge zu behalten. Die DNA-Barcodierung wird nun eingesetzt, um das Forschungstempo in Bereichen wie Chemie, Materialwissenschaften und Nanotechnologie deutlich zu beschleunigen. Am Georgia Institute of Technology identifiziert das Labor von James E. Dahlman zum Beispiel schnell sicherere Gentherapien, andere finden heraus, wie man Arzneimittelresistenzen bekämpfen und Krebsmetastasen verhindern kann.

Herausforderungen bei der Alltagsgestaltung der DNA-Datenspeicherung sind unter anderem die Kosten und die Geschwindigkeit des Lesens und Schreibens von DNA, die noch weiter sinken müssen, wenn das Verfahren mit der elektronischen Speicherung konkurrieren soll. Auch wenn die DNA nicht zu einem universellen Speichermaterial wird, wird sie mit ziemlicher Sicherheit dazu dienen, Informationen in völlig neuen Dimensionen zu generieren und bestimmte Datentypen langfristig zu erhalten.

(Der größte Teil dieses Artikels stammt aus dem Bericht Top 10 Emerging Technologies 2019).

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