Microsofts DNA-basierter Server kostet 2 Milliarden Dollar – Kosten könnten aber schon bald um mehr als 99,9 % fallen

Vor einigen Jahren war George Church, Harvard-Professor und Bio-Engineering-Superstar, zu Gast in der amerikanischen Talkshow The Colbert Report. Wie viele andere Gäste der Talkshow überreichte er dem Moderator der Show Stephen Colbert eine Ausgabe seines Buches, das er zusammen mit Ed Regis verfasst hat. Naja nicht ganz, eigentlich überreichte er Colbert 20 Mio. Ausgaben seines Buches – und sie passten alle in seine Hosentasche.

Wie ist das möglich? Church hatte 20 Mio. Ausgaben seines Buches auf DNA, das in der Biologie als das Informationsspeichermolekül bekannt ist, geschrieben. Die unglaubliche Fülle an Informationen, die in DNA gespeichert werden kann und ihr ungeheures Potenzial im Vergleich zu klassischen Festplatten ist Technologie-Unternehmen, die alles daran setzen, die wachsende Nachfrage der Gesellschaft nach Datenspeicherung zu decken, nicht entgangen.

Gerade weil Microsoft (WKN:870747) es in der Vergangenheit einige Male verpasst hat, auf neue Trends zu setzen, geht der Software-Riese nun aufs Ganze. Das Unternehmen plant, in einem seiner Rechenzentren noch in diesem Jahrzehnt einen Prototyp eines DNA-basierenden Speichersystems mit der Größe eines gewerblichen Kopiergeräts einzusetzen. Auch wenn es heute noch Milliarden von Dollar kosten würde, die heutigen DNA-Synthesetechniken zu verwenden und damit einen kleinen Nischenmarkt zu bedienen, hat die Technologie, die in den nächsten drei Jahren weiterentwickelt werden soll, noch einen langen Weg vor sich, bis Digitale-Bio-Hybrid-Rechenmaschinen sich in unserem Alltag etablieren werden. Für Investoren könnte diese Technologie eine riesige Investitionsmöglichkeit darstellen – vorausgesetzt, sie funktioniert.

Eine Cloud, die mit DNA arbeitet?

Microsoft und der Rest der Informationstechnologie-Branche haben Milliarden von Dollar in die Entwicklung von Rechenzentren investiert, um sich in einem scheinbar endlosen Kampf im wachsenden Cloud-Computing-Markt durchzusetzen. Der kostenaufwendigste Posten eines Rechenzentrums ist der Energieverbrauch, da es viel Strom kostet, um ganze Hallen mit Servern zu kühlen. Den wachsenden Speicherbedürfnissen der Verbraucher ist es besonders schwierig nachzukommen, da herkömmliche Speichermedien so langsam an ihre Grenzen stoßen, was bedeutet, dass Tech-Unternehmen bald nicht mehr in der Lage sein werden, weitere Kosteneinsparungen durch Skalierung der heutigen Technologie zu erreichen.  

Und genau das macht DNA so faszinierend, zumindest auf dem Papier. Sie kann bis zu 10 Millionen Mal mehr Informationen speichern als Magnetbandlaufwerke, die heute meistens verwendet werden. Zudem senkt DNA den Energieverbrauch pro gespeichertem Terabyte in einem Rechenzentrum. Eine Kopie des menschlichen Genoms, die in nur einer Zelle des Körpers gespeichert werden kann, hält ungefähr 1,5 Gigabyte an Informationen. Und da der menschliche Körper über Billionen von Zellen verfügt, enthält die gesamte DNA aller Zeller deines Körpers Billionen von Gigabyte an Informationen – mehr als die digitale Speicherkapazität der gesamten Welt (auch wenn sie sehr nah rankommt).

Der Kommerzialisierung dieser Technologie steht jedoch ein gewaltiges Hindernis im Weg: Kosten. Nehmen wir an, die modernste Technologie kann heute synthetische DNA für Genetic-Engineering-Anwendungen zu einem Preis von 0,05 US-Dollar pro Basenpaar produzieren, und Experten, mit denen ich mich unterhalten habe, bestätigen, dass synthetische DNA für Speicheranwendungen um zwei Größenordnungen kleiner sein müsste. (Der Anwendungsbereich der DNA bestimmt die Kosten, da jede Anwendung unterschiedliche Anforderungen für Genauigkeit, Länge und Ertrag hat.)

So oder so, selbst mit der modernsten Technologie würde es heute mehrere Monate und Hunderttausende Dollar benötigen, um die Menge an DNA, die in einer einzigen E.Coli-Zelle enthalten ist, zu synthetisieren. Das Bakterium schafft dies in nur zwanzig Minuten ohne jegliche Kosten.

Die gute Nachricht ist, dass die Kosten schnell gesunken sind. Noch vor nicht allzu langer Zeit betrugen sie 1 US-Dollar pro Basenpaar. Die schlechte Nachricht ist, dass die Kosten Microsofts Schätzungen zufolge um das 10.000-Fache sinken müssten, bevor DNA-Datenspeicherung wirklich markttauglich werden würde.

Das Unternehmen wird ohne externe Hilfe von Biotech-Unternehmen (beim Angebot) und der Unterstützung von Mistreitern der Tech-Branche (bei der Nachfrage) kaum in der Lage sein, die Kosten einer DNA-Synthese herunterzuschrauben. Dies ist der Grund, warum Microsoft sich mit der University of Washington und dem Marktführer bei der DNA-Synthese Twist Bioscience, in das unter anderem Illumina und Applied Materials investiert haben, zusammengeschlossen hat.

Anfang des Jahres machte das Trio wichtige Fortschritte bei der Entwicklung der grundlegenden, für DNA-Speicherung erforderlichen Technologie, wie beispielsweise bei der fehlerfreien Lese- und Schreibfähigkeit. Die Arbeit, die sich noch in einem frühen Stadium befindet, zeigt auch, welche Bereiche noch drastisch verbessert werden müssen:

• Das Team verwendete in etwa 13,5 Mio. DNA-Teile, um 200 Megabyte Daten zu speichern. Einerseits entspricht dies der DNA-Menge, die ein Drittel des menschlichen Genoms enthält. Andererseits entspricht dies aber auch lediglich der Speicherkapazität einer Floppy-Diskette, die in den späten 1990-er Jahre neue Maßstäbe setzte.
• Die Geschwindigkeit, mit der Informationen auf DNA geschrieben werden kann, beträgt derzeit ungefähr 400 Bytes pro Sekunde. Um markttauglich zu werden, müsste man sie auf 100 Megabyte – oder um das 4-Millionen-Fache – erhöhen.
• Die synthetische DNA, die in einem System verwendet wird, kostet ganze 800.000 US-Dollar, vielleicht auch nur die Hälfte. So oder so müssen die Kosten ungefähr noch um das 10.000-Fache reduziert werden. Selbst dann würde eine Speicherkapazität von 200 Megabyte ungefähr 40 US-Dollar kosten.

Die größte Kostenreduzierung wird man erreichen, wenn man die Synthese der DNA (ähnlich wie in der Natur) nahezu kostenfrei durchführen kann. Jedoch werden uns auch Verbesserungen der Technologie erlauben, die Speicherdichte der DNA und somit das Kosten-Nutzen-Verhältnis deutlich zu optimieren.

Mit den heutigen DNA-Synthese- und Speichertechnologien würde es 2-4 Milliarden US-Dollar kosten, um ein Terabyte zu speichern. Dies ist furchtbar teuer, aber massive Kosteneinsparungen – um mehr als 99,9 % – liegen mit den richtigen Maßnahmen und Investitionen absolut im Rahmen des Machbaren.

Sind Microsofts Träume realistisch?

Es mag vielleicht lächerlich klingen, aber Investoren sollten sich bewusst sein, dass es bereits einen Präzedenzfall für die Reduzierung der Kosten einer Biotechnologie um über 99,9 % gibt. Der großartige Erfolg des Human Genome Project, das ins Leben gerufen wurde, um Innovationen bei der DNA-Sequenzierung (beim „Lesen“ der Gene) voranzutreiben, ist ein gutes Beispiel dafür, was möglich ist. Die Kosten der Sequenzierung eines menschlichen Genoms fielen von einem Anfangspreis von 3 Milliarden US-Dollar zu Beginn des Projekts auf nur 1.000 US-Dollar. Illumina glaubt, dass es diese Kosten in naher Zukunft sogar auf 100 US-Dollar senken kann.

Das vor kurzem angekündigte Genome Write Project, das darauf abzielt, Innovationen bei der DNA-Synthese und –Konstruktion (beim „Beschreiben“ der Gene) voranzubringen, ist das logische Folgeprojekt des Human Genome Project. Schafft man es, die Kosten ähnliche wie bei seinem wissenschaftlichen Vorgängerprojekt zu senken, so würden die heutigen Kosten der DNA-Datenspeicherung von 2-4 Milliarden US-Dollar pro Terabyte in den nächsten 15-20 Jahren auf ein markttaugliches Niveau fallen – bei Rechenzentren-Anwendungen, unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs und des Platzbedarfs, vielleicht sogar schon viel früher.

Jedoch liegt das größte Problem des Genome Write Project in der mangelnden Finanzierung: Außer eines Zuschusses in Höhe von 250.000 US-Dollar von Autodesk gibt es kaum nennenswerte finanzielle Unterstützung. Wenn Microsoft es mit seinem Vorhaben, DNA-Speichertechnologien auf den Markt zu bringen, ernst meinst, sollte es vielleicht darüber nachdenken, abgesehen von seiner hausinternen F&E auch öffentliche Forschungsprojekte zu finanzieren. Ansonsten könnte es schwierig werden, auf die Unterstützung seiner Tech-Mitstreiter, die die zukünftige DNA-Nachfrage ausmachen werden, zu zählen.