Revolutionaire DNA-gebaseerde opslag maakt alledaagse objecten duurzame data-archieven

• Onderzoekers gebruiken DNA-moleculen om informatie in alledaagse objecten op te slaan.
• De informatie kan decenniallen of zelfs eeuwen later worden opgehaald.
• Op dit moment is de technologie nogal duur.

In de huidige informatietijd groeit de werelds data met enorme snelheden. Bestaande apparaten (solid-state drives, harde schijven, en magnetische banden) om deze data op te slaan, zullen hun fysieke limieten bereiken.

Dit is waarom wetenschappers proberen DNA-moleculen te gebruiken als architectuur voor lange-termijn koude opslag. Het kan elke vorm aannemen en uitzonderlijke dichtheid en duurzaamheid vertonen. In theorie kan een enkele gram DNA 215 Petabytes data opslaan voor duizenden jaren.

Nu hebben onderzoekers van ETH Zürich (Zwitserland) en Erlich Lab LLC (Israël) een nieuwe manier ontwikkeld om een enorme hoeveelheid informatie op te slaan (alleen met DNA-moleculen) in alledaagse objecten zoals waterflessen, hemdknopen, en zelfs glaslenzen. De informatie kan direct uit de objecten worden opgehaald, zelfs na decenniallen of eeuwen.

Eerdere studies, zoals het merken van producten met DNA 'barcode' en het opslaan van massive datavolumes in DNA, hebben onderzoekers in staat gesteld om een nieuw type dataopslag te bouwen genaamd 'DNA of Things'. De objecten (opslageenheden) zijn via het internet gekoppeld met informatie, vandaar de naam.

Hoe deden ze dat?

Om objecten onveranderlijk geheugen te geven, fuseerden onderzoekers DNA-moleculen met een functioneel materiaal. Ze codeerden de data in DNA-moleculen op een manier die robuust is tegen fouten.

Ze gebruikten het DNA Fountain-coderingschema om extreme dropout-fouten te corrigeren en data op te halen uit minute hoeveelheden materiaal.

Echter, het simpel mengen van DNA met functionele materialen leidt vaak tot gedegradeerde DNA door verhoogde temperaturen en hydrolyse-stress tijdens de bereiding van de mengsel.

Dit kan geëlimineerd worden door de DNA in silicananodeeltjes te encapsuleren. Het silicananodeeltje-geencapsuleerde DNA maakt het makkelijker om DNA met het inbedde materiaal te mengen, alsook de halfwaarde-tijd van DNA-moleculen te verhogen.

Referentie: Nature Biotechnology | DOI:10.1038/s41587-019-0356-z | ETH Zürich

Deze DNA-moleculen kunnen gemengd worden met diverse materialen en gevormd worden via 3D-printen of giettechnieken.

Het onderzoeksteam 3D-printte een konijn van plastic om de nieuwe methode te demonstreren. Het konijn bevat 100 Kilobytes data — de instructies voor het printen van het konijn. Dit betekent dat het object zijn eigen blauwdruk draagt, net als echte konijnen.

Een 3D-geprint plastic konijn dat 100 KB data bevat in de vorm van DNA-moleculen | Credits: ETH Zürich / Julian Koch

Ze haalden ook de data (printinstructies) op uit een klein stukje van het konijn en gebruikten het om een heel nieuw konijn te 3D-printen. Ze herhaalden het proces 5 keer, wat de 'achter-kleinzoon' van het eerste konijn creëerde.

Toepassingen

De technologie kan gebruikt worden om geheime informatie in een gewoon materiaal te verstoppen, een techniek genaamd steganografie. Onderzoekers demonstreerden het door een korte film (1,4 megabytes) op te slaan in de lenzen van conventionele brillen. Men kan deze brillen onopgemerkt door de luchthavenbeveiliging nemen.

Theoretisch is het mogelijk om informatie in alle plastic objecten te verbergen (inclusief silicone, polyurethaan, polyester, en epoxiden) zolang ze niet extreem hoge temperaturen bereiken tijdens het productieproces.

Het is nuttig in toepassingen waar blauwdrukniveau informatie toegankelijk moet zijn, of in een massaproduceerbaar object of in een gepersonaliseerd item. In tandimplanten, bijvoorbeeld, is elke structuur uniek en alleen aangepast voor een specifieke patiënt.

Een meer futuristische toepassing van deze technologie zou in het gebied van zelfreplicerende apparaten liggen. De techniek heeft voldoende replicerende capaciteit om opslagmateriaal voor een onbeperkte voorraad objecten te creëren.

Lees: Microsoft Heeft Een Volledig Geautomatiseerd DNA Data Storage Systeem Gebouwd

De technologie is nogal duur: het vertalen van een enkel 3D-print bestand kost meer dan $2.000. Echter, de kosten per eenheid dalen naarmate de batchgrootte van het object toeneemt.