Of het nu om bankrekeningen, YouTube-filmpjes of QR-codes gaat: alles wordt opgeslagen als ééntjes en nulletjes. Tegenwoordig worden er zoveel data verzameld dat gevreesd wordt dat de huidige opslagapparatuur niet meer in staat zal zijn om al die informatie bij te houden. Bovendien heeft die grootschalige data-opslag ook een ecologische impact: niet alleen door de zware metalen die je nodig hebt om USB-sticks of harde schijven te produceren, maar ook door energieverslindende datacentra. "Bedrijven als Google hebben bijna een kerncentrale naast hun servers nodig om alle computers te laten draaien", zegt professor Filip Du Prez van de Vakgroep Organische en Macromoleculaire Chemie (UGent, Faculteit Wetenschappen). "Daarom zochten we naar een manier om data op een energiezuinige manier op te slaan".
...

Of het nu om bankrekeningen, YouTube-filmpjes of QR-codes gaat: alles wordt opgeslagen als ééntjes en nulletjes. Tegenwoordig worden er zoveel data verzameld dat gevreesd wordt dat de huidige opslagapparatuur niet meer in staat zal zijn om al die informatie bij te houden. Bovendien heeft die grootschalige data-opslag ook een ecologische impact: niet alleen door de zware metalen die je nodig hebt om USB-sticks of harde schijven te produceren, maar ook door energieverslindende datacentra. "Bedrijven als Google hebben bijna een kerncentrale naast hun servers nodig om alle computers te laten draaien", zegt professor Filip Du Prez van de Vakgroep Organische en Macromoleculaire Chemie (UGent, Faculteit Wetenschappen). "Daarom zochten we naar een manier om data op een energiezuinige manier op te slaan". De onderzoeksgroep van Du Prez bundelde de krachten met de collega-informatici en -biochemici van dezelfde faculteit. Samen slaagden ze erin om een stukje tekst en een QR-code op te slaan in macromoleculen. Het resultaat van dit interdisciplinaire werk werd vrijdag gepubliceerd in het vaktijdschrift Nature Communications.Het opslaan van digitale gegevens in moleculen is op zich niet nieuw. Het innovatieve heeft in de eerste plaats te maken met het opslagmedium: de Gentse wetenschappers gebruikten daarvoor géén DNA, maar synthetische macromoleculen. Totnogtoe lieten wetenschappers zich hiervoor vooral inspireren door de natuur: qua opslagmogelijkheid is DNA een onevenaarbare overbrenger van informatie. Die informatie wordt bepaald door de volgorde waarin de vier letters van het DNA-alfabet staan (de basenparen A, C, G en T). Vergelijk het met een boek: de volgorde van letters bepaalt de informatie in het boek, niet het papier waarop het geschreven wordt. Zes jaar geleden wist George Church, geneticus aan de universiteit van Harvard, al 53.400 woorden, 11 afbeeldingen in JPG-formaat én een Javascript-programma op te slaan in synthetisch DNA. Vorig jaar deden zijn Harvard-collega's met behulp van de CRISPR-techniek een gelijkaardig kunststukje in natuurlijk DNA. Ze slaagden erin een gif-animatie van een galopperend paard op te slaan in het genoom van bacteriën, waarna ze dat filmpje met 90 procent nauwkeurigheid konden reconstrueren. En begin dit jaar won een Vlaamse doctoraatsstudent een al jaren lopende wedstrijd doordat hij een boodschap kon ontcijferen die een Britse wetenschapper in synthetisch DNA had verstopt. Dergelijke data-archivering aan de hand van DNA heeft zijn voordelen. Terwijl we onze floppydisks van twintig jaar geleden nu niet meer kunnen lezen, kan informatie die in DNA zit opgeslagen onder de juiste omstandigheden een paar duizenden jaren mee. Zo was het DNA van ijsmummie Ötzi nog voldoende intact om er nuttige informatie uit te halen. "Maar ook DNA heeft zijn beperkingen op vlak van stabiliteit", beklemtoont Du Prez. "Het is een wateroplosbare molecule die hydrolyse-gevoelig is." In zonlicht kan DNA bovendien afgebroken worden door UV-straling. We zouden het DNA wel kunnen invriezen, maar dan moeten we het ofwel transporteren naar de poolkap, ofwel hebben we energie nodig om het te koelen. De Gentse onderzoekers wilden dus een manier vinden om gevens op te slaan die niet alleen stabiel is, maar ook energiezuinig. Ze gingen op zoek naar een alternatieve drager en kwamen uit bij hydrofobe, temperatuurresistente kunststoffen. "Kunststoffen hebben de voorbije eeuw hun nut al bewezen in de maatschappij", legt Du Prez uit. Bovendien kan je met die synthetische moleculen veel meer bouwstenen toevoegen aan je 'alfabet'. "De vier letters van het DNA-alfabet komen overeen met 2 bits. Je hebt dus grote moleculen nodig om voldoende data te kunnen opslaan. Als je echter de ambitie hebt om naar terabyte-opslag te gaan, dan volstaan die vier basenparen niet", aldus Du Prez.Met de drager die de Gentse wetenschappers gebruikten, valt die beperking weg. "Op een bepaald moment gaan wij tot twintig bouwstenen. Met veel kleinere macromoleculen dan een typische DNA-molecule kan veel meer informatie opgeslagen worden." Ook de kostprijs is een voordeel: "De chemische bouwstenen zijn vele malen goedkoper dan bij synthetisch DNA".De onderzoekers demonstreerden hun idee door in een synthetische macromolecule een QR-code te coderen. Die verwees naar de Wikipedia-pagina van August Kekulé, de Duitse chemicus die beroemd werd nadat hij als hoogleraar aan de Universiteit Gent de structuur van de benzeenring ontdekte. "Ons eindresultaat is een poedertje dat een QR-code bevat die via gespecialiseerde apparatuur opnieuw kan uitgelezen worden", zegt Du Prez.De onderzoekers schreven daarvoor twee programma's die deze informatieverwerking snel en automatisch deden verlopen. Het eerste programma zorgt ervoor dat de analyse van de gegevens op de moleculen maar een paar seconden duurt, het tweede automatiseert het vertaalproces van de QR-code naar de moleculen en omgekeerd. Mogelijk kan dit proces in de verre toekomst een USB-stick vervangen door een poedertje waarvan de moleculen rechtstreeks linken naar een website of een app. Al tempert Du Prez tegelijk de verwachtingen. "Dit is nog een proof-of-concept met een hele kleine data-opslag. We zitten ook nog ver van wat er nu al kan met synthetisch DNA."