BIOSYNTH

Die zu entwickelnde Mikrochipplattform zum Schreiben von softwaredefinierten Nukleotidsequenzen (z. B. DNA, RNA oder Peptide) soll künftig durch Vervielfältigung in den Serienfertigungsprozessen der Mikroelektronikindustrie die hochparallele Herstellung von Massendatenspeichern im Hochdurchsatz ermöglichen. Mithilfe der Plattform sollen durch Miniaturisierung die heute raumfüllenden Synthese-Geräte durch portable, energiearme und kostengünstige Systeme ersetzt und so die kommerzielle, biologisch basierte Datenspeicherung ermöglicht werden. Darüber hinaus kann die Plattform auch für weitere Anwendungen wie Öko- und Lebensmitteltoxikologie (u.a. non-target screening), individualisierte Therapien, Bio-Computing oder in der Logistik eine wichtige Komponente darstellen.

DNA kennt man als grundlegendes Medium für die Speicherung der genomischen Information. Allerdings kann DNA auch zur Speicherung von (binären) Daten genutzt werden – eine Zukunftstechnologie, die in Europa bisher wenig erforscht ist. Unser Institutsteil Integrated Silicon Systems (ISS) ist nun Teil eines Fraunhofer-internen Projekts, das sich mit einer „Modularen Hochdurchsatz-Mikroplattform für künftige Massendatenspeicher aus synthetischer Biologie“ beschäftigt. Ziel des Projektes ist es, die DNA-Synthese deutlich zu verbessern. Dies erfolgt durch eine universelle Mikrochip-Plattform zum DNA / RNA / Peptid-Schreiben. Bisherige Synthese-Ansätze (u. a. ink-jet) sind wenig effizient in der Generation langer DNA-Segmente. Zudem generieren sie zahlreiche Ungenauigkeiten, deren Korrektur zeitaufwendig und teuer ist. Darüber hinaus ist die 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. Die Aufgabe des Fraunhofer IPMS besteht in der Entwicklung der „Thermo“-Ebene für die Mikrochipplattform. Die Heizfunktion zur Einstellung der Temperatur für die biologische Synthese erfolgt durch Strukturen in Oberflächenmikromechanik in Anlehnung an die CMUT-Technologie. Außerdem trägt das Fraunhofer IPMS mit Simulationsexpertise zur thermischen Funktionalität bei. Aufgabe im Projekt ist dann die Realisierung einer MEMS-Technologie, in der organische Komponenten (organische Leuchtd- und Photodioden) zur Überwachung des Syntheseprozesses integriert werden können. Hierzu arbeitet ISS 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.