Alltagsgegenstände als Datenspeicher

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Ein 3D-Drucker druckt einen Kunststoffhasen. Im Kunststoff sind DNA-Moleküle ent

Ein 3D-Drucker druckt einen Kunststoffhasen. Im Kunststoff sind DNA-Moleküle enthalten, in denen die Druckanleitung kodiert ist. ( ETH Zürich / Julian Koch)

Ein Forscherteam mit ETH-Beteiligung kann mit einer neuen Methode beinahe beliebige Objekte zu Datenspeichern machen. Es ist damit möglich, umfangreiche Daten beispielsweise in Hemdknöpfen, Wasserflaschen oder sogar Brillengläsern zu speichern und sie Jahre später wieder auszulesen. Ebenso eignet sich die Technik, um Informationen zu verstecken und sie für spätere Generationen aufzubewahren. Als Speichermedium dient die Erbsubstanz DNA.

Lebewesen tragen ihre eigene Bauund Betriebsanleitung in Form von DNA in sich. Nicht so unbelebte Objekte: Wer mit einem 3D-Drucker einen Gegenstand herstellt, braucht zwar auch eine Bauanleitung. Jahre später dasselbe Objekt noch einmal zu drucken, ist aber nur möglich, wenn man die originalen digitalen Informationen immer noch besitzt. Im Objekt selbst ist die Druckanleitung in der Regel nicht gespeichert.

Forschende der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit einem israelischen Kollegen eine Möglichkeit entwickelt, mit der sich in beinahe beliebigen Objekten umfangreiche Informationen speichern lassen. «Es lässt sich damit eine 3D-Druck-Anleitung in ein Objekt integrieren, sodass diese selbst nach Jahrzehnten oder Jahrhunderten noch direkt aus dem Objekt herausgelesen werden kann», erklärt Robert Grass, Professor am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften. Gespeichert ist die Information wie bei Lebewesen: in DNA-Molekülen.

«DNA der Dinge»

Möglich ist dies dank mehrerer Entwicklungen der vergangenen Jahre. Zum einen der Ansatz von Grass, Produkte mit einem in winzigen Glaskügelchen eingegossenen DNA-«Strichcode» zu kennzeichnen. Diese Nanokügelchen kann man unter anderem als Tracer bei geologischen Untersuchungen verwenden oder man kann damit hochwertige Nahrungsmittel kennzeichnen, um sie von Fälschungen zu unterscheiden. Der Strichcode ist dabei verhältnismässig kurz: 100 Bit (100 Stellen «0» oder «1»). Diese Technologie wird mittlerweile vom ETH-Spin-off Haelixa kommerzialisiert.

Andererseits ist es in den vergangenen Jahren gelungen, sehr grosse Datenmengen in DNA zu speichern. Grass’ Kollege Yaniv Erlich, ein israelischer Computerwissenschaftler, mit dem er jetzt zusammenarbeitete, entwickelte eine Methode, mit der es theoretisch möglich ist, 215’000 Terabytes an Daten in einem einzigen Gramm DNA zu speichern. Und Grass selbst speicherte vor einem Jahr ein ganzes Musikalbum in DNA, was 15 Megabytes an Daten entsprach (siehe ETH-News-Artikel ).

Grass und Erlich vereinten nun diese Ansätze zu einer neuen Datenspeicherform, wie sie im Fachmagazin Nature Biotechnology berichten. Sie nennen die Speicherform «DNA der Dinge» - in Anlehnung an das «Internet der Dinge», bei dem Objekte über das Internet mit Informationen verbunden werden.

Vergleichbar mit der Biologie

Als Anwendungsbeispiel stellten die Wissenschaftler mittels 3D-Druck ein Häschen aus Kunststoff her, das seine eigene Bauanleitung (im Umfang von rund 100 Kilobytes) in sich trägt. Die Forschenden fügten dazu DNA-enthaltende Glaskügelchen dem Kunststoff bei. «So wie richtige Hasen tragen auch unsere Häschen ihren Bauplan in sich», sagt Grass.

Und wie in der Biologie bleibt auch in diesem neuen technologischen Ansatz die Information über mehrere Generationen erhalten. Dies zeigten die Wissenschaftler, in dem sie aus einem kleinen Teil des Häschens die Druckinformation zurückgewannen und daraus wiederum ein neues Häschen druckten. Diesen Prozess konnten sie fünfmal wiederholen. Sie stellten also quasi «Urururenkel» des Häschens her.

«Alle anderen bekannten Speicherformen haben eine unveränderliche Geometrie: eine Festplatte muss wie eine Festplatte aussehen, eine CD wie eine CD. Man kann die Form nicht verändern, ohne Information zu verlieren», sagt Erlich. «DNA ist derzeit die einzige Datenspeicherform, die auch in flüssiger Form vorliegen kann. Dies erlaubt es uns, sie in Objekte jeglicher Form einzubringen.»

Fabio Bergamin