DNA für langfristige Datenarchivierung – DNA for long-term data storage

Warum ist der Bedarf an alternativen Speicherlösungen so groß?

Nach Schätzung von Markforschungsinstituten wird die weltweit generierte Datenmenge bis 2027 auf 284 Zettabyte steigen. Doch der global auf allen Speichermedien verfügbare Speicherplatz wächst langsamer als die Gesamtmenge aller Daten. Daher besteht vor allem für Daten, die langfristig gespeichert und vorgehalten werden müssen, auf die aber nur sehr selten zugegriffen wird, der Bedarf einer platzsparenden, preiswerten, ressourceneffizienten, wenig Strom verbrauchenden Archivierung in hoher Komprimierung.

Weshalb setzen Sie im Projekt BIOSYNTH auf synthetische DNA als Basis für Speichermedien?

Das Erbmolekül DNA kann auf sehr kleinem Raum sehr viele Informationen über lange Zeiträume speichern. Neben genomischen Informationen lässt sich DNA auch zum Sichern von binären Daten nutzen. Der DNA-Datenspeicher wird allerdings nicht der Natur entnommen, sondern synthetisch im Labor hergestellt – durch das Schreiben von DNA auf Mikrochips. Wir – die am Projekt BIOSYNTH beteiligten Fraunhofer-Institute – sehen in den biologischen Massendatenspeichern eine große Chance für die ressourcenschonende, platzsparende Langzeitarchivierung von Daten.

Wie kann DNA als Datenspeicher verwendet werden?

Bei der digitalen Datenspeicherung auf DNA-Basis werden binäre Daten in synthetisierte DNA-Stränge kodiert. Dies findet digital statt. Die DNA besteht aus den Grundbausteinen Guanin (G), Thymin (T), Cytosin (C) und Adenin (A) – sogenannte Nukleinbasen. Der binäre Code aus Nullen und Einsen wird also in eine Sequenz der Nukleotide A, C, G und T übersetzt und in einen künstlichen DNA-Strang umgewandelt. Allerdings können beim Synthese-/Schreibprozess Fehler entstehen. Mithilfe von On-Chip-Monitoring und eigens entwickelten Algorithmen und Codes erreichen wir, eine gewisse Anzahl Schreibfehler zu tolerieren und dennoch die zu schreibende Information fehlerfrei darin abzubilden.

Wie gelingt es Ihnen, die Speicherdichte zu erhöhen?

Da die mikrobiologische Synthese in der Vergangenheit ineffizient und ressourcenintensiv war und es an einer Hochdurchsatz-Technologie fehlte – insbesondere für lange Molekül-Segmente – entwickeln wir eine Plattform basierend auf Mikrochip-Fertigungstechniken, die eine drastische Reduzierung der individuellen Probenvolumina, der Anzahl an miniaturisierten Reaktorzellen je Chip sowie der CMOS-Chip-integrierten, für jede einzelne Reaktorzelle individuell adressierbare Ansteuerung ermöglicht.

Woraus setzt sich die Mikrochip-Plattform zusammen?

Die Mikrochip-Plattform ist eine Kombination aus CMOS-integrierter Steuerelektronik, miniaturisierten Reaktionszellen, Mikroheizern, OLED-Dots sowie Photodioden auf Mikrometer-Niveau. Sie ermöglicht eine thermische Synthese der biologischen Moleküle mit nachgeschaltetem optischem Monitoring.

Wie funktioniert die Synthese mit optischem Monitoring?

Hierfür wurden Silizium-basierte Mikrochips mit mikroskopisch kleinen Reaktionszellen bestückt. Jede Reaktionszelle fungiert quasi als Mini-Bioreaktor. Algorithmen entscheiden, welche der Reaktionszellen aktiviert werden müssen, um ein bestimmtes Molekül zu erzeugen. Steuersignale übertragen die entsprechende Information. Winzige, in den Chip integrierte Heizelemente versorgen jede Reaktionszelle thermisch, beheizen sie also und unterstützen so die Synthese mikrobiologischer Moleküle wie DNA, RNA oder Peptide. Jede Reaktionszelle ist mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) sowie Photodetektoren ausgestattet, die diesen Prozess überwachen und das Monitoring übernehmen. Über die OLED erfolgt eine optische Anregung. Eine räumlich zugeordnete Photodiode erfasst für jeden Bioreaktor eine Antwort, ob die Reaktion erfolgreich stattgefunden hat. Implementierte Algorithmen und Kodierungen erlauben eine Fehlertoleranz des biologischen Reaktionsprozesses.

Welche Ansprüche soll die Mikrochip-Plattform erfüllen?

Wir wollen mit unserer portablen und energiearmen Plattform in Zukunft die derzeit großen, teils raumfüllenden Synthese-Systeme ersetzen. So ermöglichen wir die kommerzielle biologisch basierte Datenspeicherung. Mit unserer Mikrochip-Plattform zum Schreiben von softwaredefinierten Nukleotidsequenzen (DNA, RNA oder Peptide) wollen wir durch die Nutzung von Hochintegration sowie Serienfertigungsprozessen der Mikroelektronik zu Hochdurchsatz gelangen – immer unter der Voraussetzung, energiearm und kostengünstig zu produzieren.

Für welche weiteren Anwendungen stellt die Mikrochip-Plattform eine wichtige Komponente dar?

Die DNA als Massendatenspeicher zu nutzen, betrachten wir als langfristiges Ziel. In naher Zukunft adressieren wir Anwendungen z.B. in der Biologie, der Biochemie, der Öko- und Lebensmitteltechnologie, im Bio-Computing und in der personalisierten Medizin. Beispielsweise wollen wir die künstlich hergestellten biologischen Systeme bzw. Moleküle nutzen, um die Auswirkungen von Substanzen und Schadstoffen aus der Umwelt oder der Landwirtschaft auf den menschlichen Körper frühzeitig zu erkennen, zu testen und zu analysieren – oder auch zu beeinflussen, z.B. für eine gezielte, individuell angepasste therapeutische Wirkung.

Wie finden die Ergebnisse des Projekts in die Praxis?

Eine Gruppe von Beratern wie die Infineon Technologies AG, die Hybrotec GmbH, das Bundesarchiv Koblenz, die X-FAB Semiconductor Foundries GmbH sowie die Philipps-Universität Marburg begleitet BIOSYNTH seit Projektbeginn und unterstützt mit ihrem Expertenwissen den Ergebnistransfer in die Industrie. Vom 5. bis 8. Mai 2025 präsentieren wir auf der Global Synthetic Biology Conference SynBioBeta in San José, Kalifornien, erste Technologiedemonstratoren (International Pavillion, Stand 700 C) und laden Interessierte zu einem Workshop ein.

Why is there such a demand for alternative storage solutions?

Market research firms estimate that the amount of data generated worldwide will grow to 284 zettabytes by 2027. However, the amount of storage space available worldwide on all storage media is growing more slowly than the total amount of data. As a result, there is a need for space-saving, cost-effective, resource-efficient, low-power, high-compression archiving, especially for data that needs to be stored and retained for the long term but is accessed very infrequently.

Why are you using synthetic DNA as the basis for storage media in the BIOSYNTH project?

The genetic molecule DNA can store a lot of information in a very small space over a long period of time. In addition to genomic information, DNA can also be used to store binary data. However, DNA data storage is not found in nature, but is produced synthetically in the laboratory by writing DNA onto microchips.

We – the Fraunhofer Institutes involved in the BIOSYNTH project – see biological mass data storage as a great opportunity for resource- and space-saving long-term archiving of data.

How can DNA be used as a data storage medium?

DNA-based digital data storage involves encoding binary data in synthesized strands of DNA. This is done digitally. DNA consists of the basic building blocks guanine (G), thymine (T), cytosine (C), and adenine (A), called nucleobases. The binary code of zeros and ones is thus translated into a sequence of nucleotides A, C, G and T and converted into an artificial DNA strand. However, errors can occur during the synthesis/write process. With the help of on-chip monitoring and specially developed algorithms and codes, we are able to tolerate a certain number of write errors and still map the information to be written without errors.

How do you increase storage density?

Because microbial synthesis has historically been inefficient and resource-intensive, and because there has been a lack of high-throughput technology – especially for long molecule segments – we are developing a platform based on microchip fabrication techniques that allows a dramatic reduction in individual sample volumes, the number of miniaturized reactor cells per chip, and CMOS chip-integrated, individually addressable control for each reactor cell.

What is the Microchip Platform?

The microchip platform is a combination of CMOS-integrated control electronics, miniaturized reaction cells, micro heaters, OLED dots and photodiodes on a micrometer scale. It enables thermal synthesis of biological molecules with downstream optical monitoring.

How does optical monitoring synthesis work?

Silicon-based microchips are equipped with microscopic reaction cells. Each reaction cell acts as a mini-bioreactor. Algorithms decide which of the reaction cells need to be activated to produce a specific molecule. Control signals transmit the appropriate information. Tiny heating elements integrated into the chip supply each reaction cell with heat, heating it and supporting the synthesis of microbiological molecules such as DNA, RNA or peptides. Each reaction cell is equipped with organic light-emitting diodes (OLEDs) and photodetectors to monitor the process. Optical excitation is provided by the OLED. A spatially assigned photodiode records a response for each bioreactor indicating whether the reaction was successful. Implemented algorithms and coding allow error tolerance of the biological reaction process.

What are the requirements for the microchip platform?

With our portable and energy-efficient platform, we want to replace the current large and sometimes space-consuming synthesis systems. This will enable commercial biological data storage. With our microchip platform for writing software-defined nucleotide sequences (DNA, RNA or peptides), we want to achieve high throughput by using high integration and volume production processes in microelectronics – always under the condition of low energy and low cost production.

Why is the microchip platform an important component for applications?

We see the use of DNA as a mass data storage medium as a long-term goal. In the near future, we are targeting applications in biology, biochemistry, environmental and food technology, biocomputing and personalized medicine. For example, we want to use the artificially produced biological systems or molecules to detect, test and analyze the effects of substances and pollutants from the environment or agriculture on the human body at an early stage – or to influence them, e.g. for a targeted, individually adapted therapeutic effect.

How will the results of the project be put into practice?

A group of advisors including Infineon Technologies AG, Hybrotec GmbH, Bundesarchiv Koblenz, X-FAB Semiconductor Foundries GmbH and University of Marburg have been supporting BIOSYNTH since the start of the project and are contributing their expertise to the transfer of the results to industry. The first technology demonstrators will be presented at the Global Synthetic Biology Conference SynBioBeta in San José, California (International Pavilion, booth 700 C) from May 5-8, and interested parties are invited to a workshop.