Wir speichern ständig Daten und legen Sie auf Festplatten oder auf unseren Rechnern ab. Doch wie ist der Zustand dieser Daten in zehn Jahren, in 100 Jahren, in 1000 Jahren? Daten von einer Floppy-Disk der 1980er oder einer CD-Rom der 1990er kann man teilweise heute schon nicht mehr lesen. Und wie sieht es für andere Daten aus, die man beispielsweise auch nicht in einer Cloud speichern kann?

Es gab bisher kein Verfahren, welches Daten quasi ewig lesbar aufbewahren kann.

Die beiden ETH-Forscher Robert Grass und Wendelin Stark haben eine Lösung für dieses Problem gefunden und sind vom Europäische Patentamt (EPA) für den Europäischen Erfinderpreis 2021 nominiert sind.

Tatsächlich haben Grass und Stark ein Verfahren zur Speicherung von Daten entwickelt, das total anders ist als herkömmliche Verfahren: Sie verwandeln Daten in DNA-Codes, die in winzigen Glaskugeln künstlich versteinert werden. Damit können diese Daten auf kleinstem Raum für Tausende von Jahren sicher gespeichert werden.

Die Erfindung von Grass und Stark überwindet die begrenzte Haltbarkeit, in dem es die DNA-Speicherfähigkeit von Fossilien nachahmt. Kurz erklärt läuft das Verfahren folgendermassen ab:

Die Forscher lösen die Probleme von Datenspeicherung auf Basis von synthetischer DNA, die sich ungeschützt schnell zersetzt; in ihrem Verfahren werden nun die Daten im DNA-Format in Glaskügelchen versiegelt und können wieder unbeschädigt und ohne Verluste herausgelöst werden. Damit kann eine unglaublich hohe Anzahl von Daten in wenigen Gramm synthetischer DNA gespeichert werden – etwa 400‘000 Terrabyte Daten, was der Menge aller Filmen auf Youtube entspricht. 

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«Fossilien erwiesen sich als der richtige Weg. Daher untersuchten wir die chemische Struktur von Glasablagerungen auf der DNA, was uns schliesslich zu der Verkapselungstechnologie führte», lässt sich Robert Grass in einer Mitteilung zitieren.

Tausende Mal dünner als Papier

Der Österreicher Robert Grass und der Schweizer Wendelin Stark lernten sich 2004 kennen, nachdem Stark zum Assistenzprofessor am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich ernannt worden war. Im selben Jahr wurde Grass einer von Starks ersten Doktoranden.

Vor rund zehn Jahren schlossen sie synthetische DNA in Glaspartikel ein, die bis zu 10 000-mal dünner als ein Blatt Papier sind. Damit ist die DNA vor Schäden geschützt, kann aber leicht wiedergewonnen und gelesen werden, indem die Glaspartikel mit einer Fluoridlösung behandelt werden, die zwar das Glas auflöst, aber die Information nicht beschädigt.

Mit dieser Methode konnten Stark und Grass die Daten eine Woche bei 70 Grad einlagern. Das entspricht der Umwelteinwirkung von 2000 Jahren Lagerung bei durchschnittlichen Temperaturen in Mitteleuropa. Auf diesem Erfolg aufbauend meldete die ETH Zürich ein europäisches Patent für die Erfindung von Grass und Stark an, das 2018 erteilt wurde.

Hier erklären Grass und Stark ihr Vorgehen genauer:

Spin-off für weitere Anwendungen

Wie oft bei Erfindungen aus dem Umfeld der ETH gründeten die beiden Forscher 2016 schliesslich das Spin-Off Haelixa. «Dabei muss der Schutz des geistigen Eigentums überzeugend dargestellt werden und damit ist die Patentanmeldung ein extrem wichtiger Schritt», sagt Grass.

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Die «Glasfossilien» von Haelixa dienen dabei nicht nur für Langzeitspeicherungen, sondern können auch fürs Tracking von Produkten oder Materialien verwendet werden: So können zum Beispiel die Lieferkette von Bio-Baumwolle nachvollzogen oder die Herkunft von Edelsteinen überprüft werden, in dem diese Mini-Glaskügelchen an ein Produkt angeheftet werden.

Vereinigung von digital und biologisch

Um ihre Technologie bekannt zu machen, legten sie 2018 das Album «Mezzanine» von Massive Attack im DNA-Format neu auf, indem sie eine 15 MB grosse Datei in Stränge synthetischer DNA kodierten. Auch in der ersten Episode der Netflix-Serie «Biohackers» wurde gezeigt, wie eine 100 MB grosse Videodatei auf DNA-Basis gespeichert wird.

Die hohen Kosten für das Schreiben synthetischer DNA schränken den flächendeckenden Einsatz bei allen möglichen Produkten heute aber noch ein. Die Forscher wollen die Kosten aber senken, indem sie die DNA-Synthese vereinfachen. «Ich bin zuversichtlich, dass in den nächsten Jahren DNA-Speicher für nur wenige Euro verfügbar sein werden», sagt Grass. Und bleibt visionär: «Wir stellen uns eine Welt vor, in der DNA-Speicher als Alltagstechnologie verfügbar sind», sagt Grass. «In der Welt, in der wir arbeiten, ist das Lesen und Schreiben von DNA so, als würde man einen Stift und Papier nutzen.»

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Ob die beiden ETH-Forscher dafür den Innovationspreis erhalten, wird am 17. Juni 2021 bekannt gegeben.