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Vier Fraunhofer-Institute erforschen im Rahmen des Projekts »Biosynth« die Entwicklung von biologischen Massenspeicher mit hoher Speicherdichte und Beständigkeit auf Basis kleinerer Eiweißverbindungen. Forscherziel ist eine deutliche Verbesserung der Synthese, für die es bislang noch keine Hochdurchsatz-Technologie gibt.
Innerhalb des von der Fraunhofer-Gesellschaft in einem internen Programm geförderten Projektes »BIOSYNTH – Modulare Hochdurchsatz-Mikro-Plattform für künftige Massendatenspeicher aus synthetischer Biologie« soll eine neuartige Mikrochip-Plattform für effiziente zellfreie und digital steuerbare Biosynthese entwickelt werden. Das Fraunhofer-Institut Photonische Mikrosysteme IPMS forscht mit drei weiteren Instituten an den Grundlagen für die Massendatenspeicher der Zukunft mit extrem hoher Speicherdichte.
DNA kennt man als grundlegendes Medium für die Aufbewahrung der genomischen Information. Allerdings lässt sich DNA auch zur Speicherung von binären Daten genutzt werden – eine Zukunftstechnologie, die in Europa bisher als Grundlagenforschung erachtet wird. Dabei werden mikrobiologische Vorgänge aus der Natur auf künstliche Datensysteme übertragen. Das Schreiben von DNA auf Mikrochips ist noch eine große Herausforderung, aber auch eine Riesenchance, sagen die Experten. So könnten Informationen in sehr hoher Dichte durch eine spezifische dreidimensionale und digital steuerbare Anordnung von Basenpaaren direkt auf einem Mikrochip gespeichert werden.
Biologische Massenspeicher mit hoher Speicherdichte
Das Projekt Biosynth bündelt daher das Know-how von vier Fraunhofer-Instituten mit dem Ziel, die DNA-Synthese deutlich zu verbessern. Dies erfolgt durch eine universelle Mikrochip-Plattform zum DNA-, RNA- und Peptid-Schreiben. Herausforderung: Bisherige Synthese-Ansätze (unter anderem ink-jet) sind wenig effizient in der Generation langer DNA-Segmente.
Zudem generieren sie zahlreiche Ungenauigkeiten, deren Korrektur zeitaufwendig und teuer ist, lassen die Forscher wissen. Zudem sei entsprechende Gerätetechnik groß und kostenintensiv. »Das Projekt Biosynth will deshalb die technologischen, biologischen und informationstechnischen Grundlagen für biologische Massendatenspeicher extrem hoher Speicherdichte und Alterungsbeständigkeit legen«, erklärt Dr. Uwe Vogel, Konsortialführer vom Fraunhofer FEP.
Massenspeicher auf Basis von DNA, RNA oder Peptiden
Im Projekt soll dafür eine auf herkömmlichen Mikrochip-Fertigungstechnologien basierende Plattform zum Schreiben von Software-definierten Nukleotidsequenzen (DNA, RNA oder Peptide) dargestellt werden. Diese ermöglicht dann künftig durch Vervielfältigung in den Volumenproduktionsprozessen der Mikroelektronik-Industrie die hochparallele und Hochdurchsatz-Herstellung von Massendatenspeichern. In einer mit Methoden der Mikroelektronik entworfenen und hergestellten Mikroplattform sollen auf Mikrometer-Niveau miniaturisierte Reaktionszellen mit Reaktionsvolumina im Pikoliter-Bereich für die zellfreie Synthese in eine frei programmierbare Aktiv-Matrix-Array-Anordnung integriert werden. Durch geeignete thermische und photonische Komponenten sowie Oberflächen-Funktionalisierung je Reaktionszelle sind sowohl Transport, Immobilisierung, Aktivierung und Monitoring der Prozessbedingungen und -ergebnisse möglich.
Biosynth: Vier Institute arbeiten zusammen
Die Aufgabe des Fraunhofer IPMS besteht insbesondere in der Entwicklung der Thermo-Ebene für die Mikrochipplattform. Die Heizfunktion zur Einstellung der Temperatur für die biologische Synthese erfolgt durch Strukturen in Oberflächen-Mikromechanik in Anlehnung an die CMUT-Technologie (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Außerdem trägt das Fraunhofer IPMS mit Simulationsexpertise zur thermischen Funktionalität bei. Aufgabe im Projekt ist dann die Realisierung einer MEMS-Technologie (Micro-Electro-Mechanical Systems), in der organische Komponenten zur Überwachung des Syntheseprozesses integriert werden können.
Hierzu arbeitet Fraunhofer IPMS eng mit dem Fraunhofer FEP zusammen. Anschließend werden Kollegen des Fraunhofer IZI in Brandenburg den Syntheseprozess mithilfe der Mikrochipplattform realisieren. Das Fraunhofer ITEM beschäftigt sich mit entsprechenden Kodierungsverfahren in biologischen Komponenten.
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