5D-Speicher Forscher sichern menschliches Genom auf „ewig haltbarem“ Kristallspeicher

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Forschern der Universität von Southampton ist es gelungen, die Daten für das komplette menschliche Genom auf einem münzgroßen kristallinen 5D-Datenträger zu speichern. Ziel des Teams ist es, genetische Daten für die Ewigkeit zu bewahren und so Lebensformen - inklusive dem Menschen - gesichert vor dem Aussterben zu bewahren.

Bis zu 360 Terabyte an Datenmengen könnten nach Angaben des Forschungsteams unter Leitung von Optoelektronik-Professor Peter Kazansky mit der am Optoelectronic Research Centre (ORC) der University of Southampton entwickelten Technologie zuverlässig gesichert und abgerufen werden. Die Daten werden mit Hilfe des Femtosekundenlasers präzise in nanostrukturierte Hohlräume im Siliziumdioxid eingeschrieben, mit einer Größe von nur 20 Nanometern. Die Forscher bezeichnen ihre Datenträger als 5D-Speicher, da die darauf enthaltenen Daten in Form von Länge, Breite und Höhe als auch Größe und Ausrichtung codiert werden.

2013 hatte ein Forschungsteam erstmals das beschriebene 5D-Speicherverfahren entwickelt. Dieses basiert auf einem Femtosekundenlaser, mit dem nanostrukturiertes Quarzglas beschrieben wird. Ziel ist es, einen Datenträger zu schaffen, der in der Lage ist, potentiell mehrere Millionen Jahre zu halten. Seither haben die ORC-Forscher das Verfahren stetig verfeinert, um die Zuverlässigkeit beim Beschreiben und Abrufen der Datenträger weiter zu erhöhen.

Resistenter „Superman-Kristall“ für die Ewigkeit

Das Forschungsteam der Universität von Southampton bezeichnet seine gläsernen Datenträger auch als „Superman-Kristalle“, in Anlehnung an den Superhelden-Hilm aus dem Jahr 1978. Im Gegensatz zu anderen Datenspeicherformaten, die sich mit der Zeit abbauen, können 5D-Speicherkristalle bis zu 360 Terabyte an Informationen (in der größten Größe) über Milliarden von Jahren ohne Verlust speichern, selbst bei hohen Temperaturen.

Der Kristall entspricht geschmolzenem Quarz, einem der chemisch und thermisch beständigsten Materialien der Erde. Er widersteht extremen Temperaturen wie Gefrieren, Feuer und Temperaturen von bis zu 1000 °C. Der Kristall hält auch direkten Stößen von bis zu 10 Tonnen pro cm² stand und bleibt auch bei langer Einwirkung von kosmischer Strahlung unverändert.

Eine ewige genetische Datenbank aller Lebensormen

Eine echte Prüfung der Lebensdauer dieser Datenträger konnte verständlicherweise noch nicht erfolgen, doch die Forschenden sind sich sicher, dass die an der University of Southampton entwickelten Speicherkristalle in ihrer Langlebigkeit den Menschen und andere Arten überdauern werden. „Wir wissen aus der Arbeit anderer, dass genetisches Material einfacher Organismen synthetisiert und in einer bestehenden Zelle verwendet werden kann, um ein lebensfähiges lebendes Exemplar im Labor zu erzeugen“, sagt Prof. Kazansky.

Derzeit ist es zwar nicht möglich, Menschen, Pflanzen und Tiere allein mit Hilfe von genetischen Informationen synthetisch zu erzeugen, aber in den letzten Jahren gab es große Fortschritte in der synthetischen Biologie. Kazansky verweist unter anderem auf die Schaffung eines synthetischen Bakteriums am J. Craig Venter Institute (JCVI) in San Diego im Jahr 2010. „Der 5D-Gedächtniskristall eröffnet anderen Forschern die Möglichkeit, einen dauerhaften Speicher für genomische Informationen zu schaffen, aus dem komplexe Organismen wie Pflanzen und Tiere wiederhergestellt werden könnten, falls die Wissenschaft dies in Zukunft zulässt,“ beschreibt Prof. Kazansky das mit ihrem aktuell präsentierten 5D-Speicher vorgestellte Ziel.

Um dieses Konzept zu testen, schuf das Team einen 5D-Gedächtniskristall, der das gesamte menschliche Genom enthält. Für die rund drei Milliarden Buchstaben im Genom wurde jeder Buchstabe 150 Mal sequenziert, um sicherzustellen, dass er sich an der richtigen Stelle befindet. Die Deep-Read-Sequenzierung wurde in Zusammenarbeit mit Helixwork Technologies durchgeführt. Wie groß die so abgelegte Speichermenge letztlich war führten die Forschenden nicht näher aus. Würde man jedes Basenpaar eines menschlichen Genoms als zwei Bits darstellen, würde es über 6,15 × 10⁹ Bits oder etwa 770 MB benötigen, um es einfach zu speichern.

Bei der Entwicklung des Kristalls überlegte das Team, ob die darin enthaltenen Daten von einer Intelligenz (einer Spezies oder einer Maschine), die in ferner Zukunft nach uns kommt, abgerufen werden könnten. Er könnte sogar so weit in der Zukunft gefunden werden, dass es keinen Bezugsrahmen mehr gibt. Auch hierfür wollte das Team den Datenkristall zukunftssicher gestalten: „Der visuelle Schlüssel, der in den Kristall eingraviert ist, gibt dem Finder Aufschluss darüber, welche Daten darin gespeichert sind und wie sie genutzt werden könnten“, sagt Prof. Kazansky.

Der Datenträger wird ein Bestandteil des „Menschheits-Archivs“ im Rahmen des MOM-Projekts („Memory of Mankind“), einer Zeitkapsel, die in einer Salzgrotte im oberösterreichischen Halltstatt eingelagert wird. (sg)

Nanostrukturen

5-D-Speicher aus Glas halten eine Ewigkeit

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