Alle data van de wereld op een draadje plastic

Schema van een polymeerketen, in geel. Over de keten schuift een ring met kop die sporen op de keten kan aanbrengen. Die sporen zijn de nullen en enen waarin data worden vastgelegd.Beeld Sander Soewargana

Waarom bouwen we gigantische, energievretende datacentra? Je kunt informatie ook opslaan in DNA, of nog beter: in polymeren. De gegevens uitlezen vraagt nog wel wat onderzoek.

De wereld gaat aan data ten onder. De Microsofts en de Googles bouwen op ieder continent een halve stad om die data op te slaan, en dan nog kunnen ze de groei niet bijhouden. De wereld heeft nu zo'n 40 biljoen gigabites aan data, tien keer meer dan zeven jaar geleden. En het zal steeds harder gaan. Bitcoins en andere virtuele munten, om maar een voorbeeld te noemen, vergen bergen data, rekenkracht en energie.

Als we die datavloed blijven opslaan in computerchips, stuiten we binnen enkele decennia op een grens: er zal geen silicium meer zijn om die chips te maken. Die grens hebben we nooit voorzien, want silicium is een van de meest alledaagse materialen op aarde, namelijk zand.

Opslaan in DNA

Het moet anders, en het kán anders. De natuur bewijst het. Je kunt data opslaan in DNA, de erfelijke code van leven. Zoals je nullen en enen schrijft in silicium, zo kun je informatie wegschrijven in de elementaire bouwstenen van een DNA-keten. En de opslagcapaciteit van DNA is gigantisch: voor de 40 biljoen gigabytes die de wereld nu moet torsen, heb je aan een kilo DNA meer dan genoeg.

Het is ook bewezen; er zijn al sonnetten van Shakespeare in DNA geschreven, een toespraak van Martin Luther King, de Verklaring van de Rechten van de Mens en nog veel meer. Maar DNA heeft ook nadelen. Het is moeilijk en duur om te maken. Het wegschrijven en weer uitlezen van informatie gaat erg langzaam. Veel te langzaam voor de manier waarop we nu computerchips gebruiken.

En bij het beschrijven en uitlezen van DNA worden nog veel fouten gemaakt. De natuur is dat gewoon; die heeft geleerd te leven met haar foutgevoelige opslagsysteem. Om bruikbaar te zijn in elektronica moet dataopslag echter foutloos zijn. Dat is die nu nog niet. Bovendien is DNA een van nature kwetsbaar materiaal. Als je het zou willen gebruiken om informatie voor lange tijd op te slaan, moet je het in glas gieten, of een andere truc uithalen om het goed te houden.

Dat brengt de wetenschap ertoe te kijken naar alternatieven. Er wordt, met steun van de elektronicagiganten, nog altijd hard gewerkt aan dataopslag in DNA. Maar intussen kijken chemici naar synthetische materialen die zich lenen voor hetzelfde doel. Polymeren doen dat, plastics. Die zijn stabieler, en ze kunnen in principe nog meer informatie bergen dan DNA.

Nijmegen is een van de plaatsen waar aan dit idee wordt gewerkt, onder leiding van Roeland Nolte, hoogleraar organische chemie aan de Radboud Universiteit. Nolte is 73 jaar en al enige tijd met emeritaat, maar dat heeft hem niet verhinderd om opnieuw een omvangrijke subsidie van de Europese Unie binnen te slepen voor dit onderzoek. Hij is nog bijna dagelijks op de universiteit te vinden om het te leiden.

Het gaat hier niet om de ontwikkeling van een plastic schijfje waarop data kunnen worden geschreven, maar om een enkele polymeerketen, één atoom dik, die door een moleculair machientje kan worden beschreven en gelezen. Het polymeer waarmee de groep van Nolte werkt is polybutadieen, een koolstofketen, waarin de koolstofatomen beurtelings met een enkele en een dubbele knoop aan elkaar zitten. Chemisch kun je die dubbele knopen openbreken en er een zuurstofatoom tussen zetten. Dan wordt die dubbele knoop een zogenoemd epoxide. Dat kan in de configuratie van de keten op twee manieren - laten we ze voor het gemak linkshandig en rechtshandig noemen - die ook iets andere eigenschappen opleveren.

Nullen en enen

Informatica werkt met nullen en enen, en die heb je nu op je epoxide-keten. Want linkshandig kan staan voor '0' en rechtshandig voor '1'. Nu heb je alleen nog een machientje nodig om de nullen en enen op die keten te schrijven. Dat klinkt eenvoudiger dan het is, want we zitten op het niveau van atomen en zo klein moet ook dat machientje zijn. In de groep van Nolte is een prototype ontwikkeld, bestaande uit een ring van glycoluril, een eenvoudige chemische stof, met daar bovenop een metaalverbinding, die dienst doet als schrijfkop.

De schrijfkop kan op de keten epoxides maken, en je kunt dit moleculaire machientje met licht vertellen of dat een linkshandig of een rechtshandig epoxide moet zijn. Prachtig. Maar toen de Nijmeegse onderzoekers het gingen testen, bleek die schrijfkop in een noodvaart over de keten te scheren, en kriskras zuurstofatomen in te plakken. Het werd een chaos van nullen en enen.

Een van de doelen in het onderzoek waarvoor Nolte nu subsidie heeft gekregen, is de schrijfkop te vertragen, zodat die stuurbaar is en keurig van begin naar eind van de keten kan lopen. De chemici willen de ring waarop de kop zit nauwer maken, zodat die langzamer over de polymeerketen schuift en ook maar één kant op kan. Dat wordt zoeken naar een chemische verbinding die geschikt is om de ring op te vullen.

Als de informatie eenmaal op de polymeerketen is geschreven, als nullen en enen, dan moet die informatie gelezen kunnen worden. Dat kan met het omgekeerde principe, met een leeskop die licht uitzendt, maar licht dat er net iets anders uitziet wanneer het een '0' passeert dan in het geval van een '1'.

Het moet nog worden aangetoond dat het allemaal werkbaar is, maar in principe kun je hiermee de basis leggen onder een datacentrum waarvoor Google geen halve stad hoeft te bouwen, maar dat past in een bureaula. Je wilt informatie echter niet alleen wegschrijven en uitlezen, je wilt er ook mee kunnen werken. Dat betekent dat je met die nullen en enen moet kunnen rekenen, want dat doet een computer.

De vermaarde vader van de rekenmachine, Alan Turing, heeft tachtig jaar geleden laten zien dat je met zo'n strook van nullen en enen alle denkbare rekenoperaties kunt uitvoeren. Maar dan moet je wel een kop hebben die kan lezen én schrijven, die kan zien wat er op de strook staat en zo nodig een 0 in een 1 kan veranderen of andersom. Bovendien, liet Turing zien, moet die kop van links naar rechts én van rechts naar links over die strook kunnen bewegen.

Zo ver zijn ze nog niet in Nijmegen. Een kop die kan lezen en schrijven, denken ze wel te kunnen vinden. Maar om die kop, die de afmetingen heeft van atomen, precies te vertellen wanneer hij naar links of naar rechts moet, is vrijwel onmogelijk. Dat wil de groep van Nolte oplossen met een idee dat in zijn uitwerking ingewikkeld is, maar in zijn kern charmant: de chemici willen die lees/schrijf-kop dubbel uitvoeren en die tegelijk langs twee kopieën van de polymeerketen laten lopen, waarbij de ene kop van links naar rechts loopt en de andere kop van rechts naar links. Door met licht te vertellen welke kop aan zet is, heb je aan de vereiste van Turing voldaan. In principe.

Turing-machine

Zo'n Turing-machine wordt heel lastig, zegt Nolte, maar het schrijven en lezen van data in polymeerketens moet lukken. "Daarvoor gaan we nu de technologie ontwikkelen. DNA heeft het voordeel dat de technologie voor lezen en schrijven al ontwikkeld is. Wij moeten die voor onze polymeren nog maken."

Contact met elektronicagiganten is er in dit project dan ook niet. Dat komt over een paar jaar, verwacht Nolte: "Het is nu nog heel fundamenteel werk. Maar je kunt van die eerste fundamentele stappen veel leren. Je ziet in het lab wat wel en niet werkt, en je komt daardoor op nieuwe ideeën. Baanbrekende technologie vergt veel tijd. Het heeft ook een halve eeuw geduurd voor de mensheid van de allereerste transistor bij de mobiele telefoon was."

Lees ook:

Met een spoedcursus moleculaire biologie en wat hulp van internet kun je een poging wagen zelf je genen te veranderen. Twee Amerikanen nemen het voortouw bedachten hun eigen gentherapie.

Elke patiënt reageert anders op medicijnen. Met kennis van het DNA zou iedereen een passende behandeling kunnen krijgen. Maar geneeskunde op maat is lastiger dan gedacht.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden