Sushi als Festplatte

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Auch diese appetitlichen Lachshappen bergen Gigabyte an Informationen - in der DNA. Quelle: Jeremy Keith/flickr.com

10.02.2012  - 

Dass in der DNA Informationen gespeichert sind, ist hinlänglich bekannt. Deutsche Forscher gehen nun noch einen Schritt weiter: Mithilfe von Lachs-DNA und Silber-Nanopartikeln konstruieren sie einen Biofilm, auf dem sich Informationen abspeichern und beliebig wieder auslesen lassen. Das neue System soll besonders kostengünstig und umweltfreundlich sein. Von der Idee könnten vor allem biotechnische Anwendungen profitieren. Ihre Erfindung präsentieren sie im Fachmagazin Applied Physics Letters (2011, Bd. 99, S. 253301).

Gewöhnliche Datenspeicher bestehen heutzutage unter anderem aus hochreinem Silizium. Dessen Herstellung und Verarbeitung ist teuer und aufwendig. Gleichzeitig werden immer größere Datenmengen generiert, die gespeichert werden müssen. Biologen verfolgen derzeit beispielsweise das Ziel, Erbinformationen über alle Tiere der Welt in einer riesigen Datenbank zusammenzutragen (mehr…). Kaum verwunderlich, dass Forscher in aller Welt daran arbeiten, neue Möglichkeiten zur Datenspeicherung zu finden.

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Ein deutsch-taiwanesisches Forscherteam hat nun einen Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln vorgestellt, der Informationen besonders kostengünstig und umweltfreundlich speichern soll. An dem Projekt sind Wissenschaftler des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan beteiligt. Das von ihnen entwickelte System besteht aus einer dünnen Schicht der DNA eines Lachses, die mit Silbersalzen versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wird es mit UV-Licht stimuliert, bilden sich Silber-Nanopartikel, durch die Strom fließen kann. So entsteht ein Biopolymer-Film, auf den sich einmalig Daten schreiben und danach beliebig häufig auslesen lassen.

 

Silber-Nanopartikel auf Lachs-DNA nach der Bestrahlung mit UV-Licht unter dem Elektronenmikroskop.Quelle: Phillipp Mueller/CFN

Datenspeicherung im Binärcode 

Egal ob Daten vorübergehend im Arbeitsspeicher oder dauerhaft auf Festplatten gespeichert werden sollen, das Prinzip ist überall das gleiche: Die Informationen werden als eine Abfolge von Nullen und Einsen – im sogenannten Binärcode – gespeichert. Auf diese Weise funktioniert auch der Lachs-DNA-Datenspeicher.

Bei niedriger Spannung fließt nur geringer Strom durch den DNA-Silber-Biopolymer-Film. Diesen Zustand interpretieren die Forscher als logische Null. Ab einer bestimmten Schwellenspannung aber bilden sich freie Ladungsträger, die einen höheren Stromfluss verursachen, was von den Wissenschaftlern als logische Eins interpretiert wird. Diese Leitfähigkeit lässt sich, wenn sie einmal erreicht ist, auch durch eine Änderung der Spannung nicht mehr rückgängig machen – einmal eingeschaltet, bleibt das System aktiv, egal welche Spannung anliegt. Auch nach 30 Tagen lässt sich die Leitfähigkeit noch nachweisen. Die Information bleibt also erhalten.

 

Eine dünne Schicht Lachs-DNA ist mit Silber-Nanopartikeln versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet. Quelle: Yu Chueh Hung/Tshing Hua University, Taiwan

Kostengünstig und umweltfreundlich

„Dieser DNA-basierte Speicher ist kostengünstiger als herkömmliche Speicher, die aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen“, sagt Ljiljana Fruk, die am CFN eine interdisziplinäre Forschungsgruppe für DNA-Nanotechnologie, Biofunktionalisierung und Design von lichtgesteuerten Nanobauteilen leitet. „Außerdem ist er wiederverwertbar, und die Rohstoffe sind in der Natur reichlich vorhanden.“

Die Herstellung des neuartigen DNA-Datenspeichers verbindet aktuelle Erkenntnisse aus der DNA-Nanotechnologie mit Erfahrungen aus der Fertigung herkömmlicher Polymer-Bauteile. Die Forscher erwarten Anwendungen ihres Systems als optische Speicher oder auch in sogenannten plasmonischen Bauteilen. Plasmonen sind nanometergroße elektronische Anregungen in Metallen. „Die Forschung zu DNA als Biopolymer steht allerdings noch ziemlich am Anfang“, erklärt Ljiljana Fruk: „In naher Zukunft werden sich möglicherweise noch weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.“

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