Wie man Bilder auf DNA speichert

Laut der EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) werden weltweit jedes Jahr über 2 Billionen Fotos aufgenommen. Während viele lokal gespeichert bleiben, wird ein grosser Teil in Rechenzentren aufbewahrt. Herkömmliche Lösungen, wie Festplatten und Magnetbänder, stossen dabei an ihre Grenzen in Bezug auf Kapazität, Lebensdauer und Umweltbelastung. Angesichts der exponentiell wachsenden Datenmengen arbeiten Forschende der EPFL an der Entwicklung eines internationalen Bildkomprimierungsstandards für die DNA-Speicherung - eine vielversprechende und nachhaltige Technologie.

Ein Konzept mit Geschichte

Die Speicherung von Informationen in DNA-Molekülen ist keine neue Idee. Bereits 2015 zeigte die ETH Zürich, dass sich Daten mithilfe dieser Technologie über Millionen von Jahren erhalten lassen. 2017 bestätigte die EPFL das, indem sie Archivdaten -  etwa vom Montreux Jazz Festival mit Aufnahmen von Miles Davis und Deep Purple - erfolgreich speicherte.

Seitdem arbeiten mehrere Schweizer Universitäten, darunter auch die Universität Genf, daran, die Technologie zugänglicher zu machen - unter anderem durch die Entwicklung autonomer Mikrofabriken zur nachhaltigen Archivierung ausserhalb von Labors.

Diese Initiativen zielen darauf ab, das enorme Potenzial der DNA-Datenspeicherung zu nutzen. Professor Touradj Ebrahimi, Experte für Bildverarbeitung und Leiter der Multimedia Signal Processing Group an der EPFL, erklärt das Konzept näher: Ein einziges Gramm DNA könne etwa 215 Millionen Gigabyte an Daten speichern - das entspricht der Kapazität von rund 860'000 externen Festplatten. Diese aussergewöhnliche Dichte, kombiniert mit der jahrtausendelangen Haltbarkeit von DNA, mache sie zu einer vielversprechenden Lösung für die Langzeitarchivierung.

JPEG DNA: Ein Komprimierungsstandard für die DNA-Speicherung

Um den hohen Kosten und dem Zeitaufwand beim Schreiben und Lesen von DNA-Daten zu begegnen, entwickeln die Forschenden den Standard JPEG DNA - einen internationalen Standard zur Bildkomprimierung und -codierung, der laut EPFL speziell für die DNA-Speicherung konzipiert ist. Diese Technologie wandelt binäre digitale Daten in DNA-Sequenzen um, die aus den vier Nukleotiden Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) bestehen. Diese Sequenzen werden synthetisiert, gespeichert und später mittels Sequenziertechnologien ausgelesen, wie die EPFL schreibt.

Der JPEG-DNA-Standard berücksichtige sowohl Fehlerresistenz als auch biochemische Einschränkungen der DNA, wie etwa die Häufigkeit und Anordnung der Symbole, um die Stabilität der Moleküle zu gewährleisten. Ein vom Team entwickelter Algorithmus könne Bilder direkt im JPEG-Format kodieren, ohne sie vorher zu dekodieren. Dadurch werde weniger DNA benötigt und Rechenressourcen würden gespart.

Laut Professor Ebrahimi könnten Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz diesen Standard weiter verbessern - durch optimiertes Encoding, Fehlerkorrektur und gleichzeitige Kompatibilität mit bestehenden Verfahren.

Das JPEG-Komitee plant, JPEG DNA bis 2026 als internationalen Standard zu verabschieden. Aktuell wird das Projekt im Schweizer Pavillon auf der Weltausstellung in Osaka vorgestellt.


Übrigens: Die beiden ETH-Forscher, die das Speicherverfahren auf DNA entwickelten, erhielten 2021 den Erfinderpreis vom Europäischen Patentamt. Lesen Sie hier mehr darüber.