Harvard-Forscher haben einen Ansatz zur Datenspeicherung entwickelt, der auf Mischungen von fluoreszierenden Farbstoffen basiert, die in winzigen Punkten auf eine Epoxidoberfläche gedruckt werden. Die Farbstoffmischung an jedem Fleck kodiert Informationen, die dann mit einem Fluoreszenzmikroskop gelesen werden.
Optische Disks, Flash-Laufwerke und magnetische Festplatten können digitale Informationen nur einige Jahrzehnte lang speichern, und ihre Wartung erfordert in der Regel viel Energie, was diese Methoden für die langfristige Datenspeicherung nicht ideal macht. Daher haben Forscher versucht, Moleküle als Alternativen zu verwenden, insbesondere in der DNA-Datenspeicherung. Diese Methoden bringen jedoch ihre eigenen Herausforderungen mit sich, darunter hohe Synthesekosten und langsame Lese- und Schreibraten.
Wissenschaftler der Harvard University haben nun herausgefunden, wie man Fluoreszenzfarbstoffe als Bits für eine billigere und schnellere Datenspeicherung verwenden kann, so ein neues Papier, das in der Zeitschrift ACS Central Science veröffentlicht wurde. Die Forscher testeten ihre Methode, indem sie eine der wegweisenden Arbeiten des Physikers Michael Faraday aus dem 19. Jahrhundert über Elektromagnetismus und Chemie sowie ein JPEG-Bild von Faraday speicherten.
“Diese Methode könnte zu geringen Kosten Zugang zu Archivdaten bieten”, sagte Co-Autor Amit A. Nagarkar, der die Forschung als Postdoktorand im Harvard-Labor von George Whitesides durchführte. “[It] bietet Zugang zur langfristigen Datenspeicherung unter Verwendung vorhandener kommerzieller Technologien – Tintenstrahldruck und Fluoreszenzmikroskopie.“ Nagarkar arbeitet jetzt für ein Startup-Unternehmen, das die Methode kommerzialisieren will.
Kris Snibbe/Harvard Staff
Das Interesse an der Verwendung von DNA zur Datenspeicherung hat seinen guten Grund. Wie wir bereits berichtet haben, besteht die DNA aus vier chemischen Bausteinen – Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) – die eine Art Code darstellen. Informationen können in der DNA gespeichert werden, indem die Daten vom Binärcode in einen Base-4-Code umgewandelt und einem der vier Buchstaben zugewiesen werden. DNA hat eine deutlich höhere Datendichte als herkömmliche Speichersysteme. Ein einzelnes Gramm kann fast 1 Milliarde Terabyte (1 Zettabyte) an Daten darstellen. Und es ist ein robustes Medium: Die gespeicherten Daten können über lange Zeiträume aufbewahrt werden – Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte.
Die DNA-Datenspeicherung hat in den letzten Jahren spürbare Fortschritte gemacht, was zu einigen erfinderischen Wendungen der grundlegenden Methode geführt hat. Vor zwei Jahren stellten beispielsweise Stanford-Wissenschaftler erfolgreich eine 3D-gedruckte Version des Stanford-Häschens her – ein übliches Testmodell in der 3D-Computergrafik –, in dem die Druckanweisungen zur Reproduktion des Häschens gespeichert waren. Der Hase fasst dank der Zugabe von DNA-enthaltenden Nanoperlen zum Kunststoff, der für den 3D-Druck verwendet wird, etwa 100 Kilobyte an Daten.
Aber der Einsatz von DNA stellt auch imposante Herausforderungen dar. Das Speichern und Abrufen von DNA-Daten nimmt beispielsweise angesichts der erforderlichen Sequenzierung normalerweise viel Zeit in Anspruch. Und unsere Fähigkeit, DNA zu synthetisieren, hat noch einen langen Weg vor sich, bevor sie zu einem praktischen Datenspeichermedium wird. Daher haben andere Wissenschaftler die Möglichkeit untersucht, nichtbiologische Polymere für die molekulare Datenspeicherung zu verwenden, um die gespeicherten Informationen zu decodieren (oder zu lesen), indem sie die Polymere mit Tandem-Massenspektrometrie sequenzieren. Das Synthetisieren und Reinigen der synthetischen Polymere ist jedoch ein kostspieliger, komplizierter und zeitaufwendiger Prozess.
Kris Snibbe/Harvard Staff
2019 demonstrierte das Labor von Whitesides erfolgreich die Speicherung von Informationen in einer Mischung kommerziell erhältlicher Oligopeptide auf einer Metalloberfläche, ohne dass zeitaufwendige und teure Synthesetechniken erforderlich waren. Das Labor verwendete ein Massenspektrometer, um die Moleküle anhand ihres Molekulargewichts zu unterscheiden, um die gespeicherten Informationen auszulesen. Aber es gab noch einige Probleme, vor allem, dass die Informationen beim Auslesen zerstört wurden. Außerdem war der Ausleseprozess langsam (10 Bits pro Sekunde), und das Herunterskalieren der Größe erwies sich als problematisch, da eine Verringerung der Laserspotgröße zu einem Anstieg des Rauschens in den Daten führte.
Also Nagarkar et al. beschlossen, Moleküle zu untersuchen, die sich eher optisch als nach Molekulargewicht unterscheiden ließen. Konkret wählten sie sieben kommerziell erhältliche Fluoreszenzfarbstoffe unterschiedlicher Farbe. Um die Informationen zu “schreiben”, verwendete das Team einen Tintenstrahldrucker, um Lösungen gemischter Fluoreszenzfarbstoffe auf ein Epoxidsubstrat mit bestimmten reaktiven Aminogruppen abzuscheiden. Die nachfolgende Reaktion bildet stabile Amidbindungen, wodurch die Informationen effektiv festgehalten werden.