Integrierte Informationsspeichertechnologie zum Schreiben großer Mengen digitaler Informationen in DNA unter Verwendung eines enzymbetriebenen, nachhaltigen und kostengünstigen Ansatzes
Das genetische Material DNA hat großes Interesse als Medium für die digitale Informationsspeicherung geweckt, da seine Dichte und Haltbarkeit denen der bestehenden siliziumbasierten Speichermedien überlegen ist. Zum Beispiel ist DNA mindestens 1000-mal dichter als die kompakteste Solid-State-Festplatte und mindestens 300-mal haltbarer als die stabilsten Magnetbänder. Außerdem bietet der Vier-Buchstaben-Nukleotid-Code der DNA eine geeignete Kodierungsumgebung, die wie der binäre Digitalcode von Computern und anderen elektronischen Geräten genutzt werden kann, um jeden Buchstaben, jede Ziffer oder jedes andere Zeichen darzustellen.
Trotz dieser Vorteile hat sich die DNA noch nicht zu einem weit verbreiteten Informationsspeichermedium entwickelt, da die Kosten für die chemische Synthese der DNA mit 3.500 Dollar pro 1 Megabyte Information immer noch unerschwinglich hoch sind. Um diese Einschränkung zu überwinden, hat die Forschung am Wyss-Institut unter der Leitung von Henry Hung-Yi Lee, Ph.D., in einem Gemeinschaftsprojekt mit Core Faculty-Mitglied George Church, Ph.D., und Gründungsdirektor Donald Ingber, M.D., Ph.D., neue, enzymbasierte Ansätze entwickelt, die DNA einfacher und schneller schreiben können als herkömmliche chemische Techniken. Diese Ansätze könnten auch viel längere DNA-Stränge produzieren, während sie weniger giftig für die Umwelt sind. Wichtig ist, dass dieser Ansatz die Kosten für die DNA-Synthese in Zukunft um viele Größenordnungen senken könnte.
Um ihren Ansatz zu skalieren, entwickelt das Team ein integriertes DNA-Informationsspeichergerät, in dem eine programmierbare enzymatische DNA-Synthese in einer hochgradig multiplexen Weise erreicht werden kann. In der Biologie und der In-vitro-Biochemie wird ein neuer DNA-Strang synthetisiert, indem ein bereits vorhandener Vorlagenstrang mit Enzymen, den so genannten DNA-Polymerasen, kopiert wird. Für die De-novo-Synthese von DNA setzt der Ansatz des Wyss-Instituts jedoch eine Template-unabhängige DNA-Polymerase ein und steuert ihre Aktivität – welcher der vier Nukleotid-Buchstaben bei jedem Schritt der DNA-Strangsynthese hinzugefügt werden soll – elektronisch. Im großen Maßstab wird dieser Speicher einen hochgradig parallelisierten Syntheseprozess ermöglichen, der geeignet ist, die exponentiell wachsende Menge an digitaler Information in der DNA zu speichern.