|
| الحمض الننوي DNA وتقنية التخزين الثورية |
تواجه البشرية مشكلة كبيرة في تخزين البيانات: تم إنشاء المزيد من البيانات في العامين الماضيين أكثر من كل التاريخ السابق. وقد يفوق هذا السيل من المعلومات قريبًا قدرة محركات الأقراص الثابتة على التقاطه.
الآن، أفاد الباحثون أنهم توصلوا إلى طريقة جديدة لتشفير البيانات الرقمية في الحمض النووي لإنشاء أعلى نظام تخزين بيانات واسع النطاق بكثافة تم اختراعه على الإطلاق.
يستطيع هذا النظام تخزين ما قدرته 215 بيتابايت (215 مليون غيغابايت) في غرام واحد من الحمض النووي. يمكن للنظام هذا من حيث المبدأ، تخزين كل جزء من البيانات التي سجلها البشر في حاوية بحجم ووزن شاحنتين. لكن ما إذا كانت هذه التكنولوجيا ستنطلق فكل شيئ يعتمد على تكلفتها.
يتمتع الحمض النووي بالعديد من المزايا لتخزين البيانات الرقمية. إنها فائقة الصغر ويمكن أن تستمر لمئات الآلاف من السنين إذا تم حفظها في مكان بارد وجاف. وطالما أن المجتمعات البشرية تقرأ وتكتب عن الحمض النووي، فإنها ستكون قادرة على فك تشفيره يوماً ما.
أحد علماء الكمبيوتر من جامعة كولومبيا يدعى يانيف إرليش يقول: "لن يتحلل الحمض النووي بمرور الوقت مثل أشرطة الكاسيت والأقراص المدمجة، ولن يصبح قديمًا".
وعلى عكس الأساليب الأخرى عالية الكثافة، مثل معالجة الذرات الفردية على السطح، يمكن للتقنيات الجديدة كتابة وقراءة كميات كبيرة من الحمض النووي في وقت واحد، مما يسمح بتوسيع نطاقه.
ظل العلماء يخزنون البيانات الرقمية في الحمض النووي منذ عام 2012. وكان ذلك عندما قام علماء الوراثة بجامعة هارفارد جورج تشيرش وسري كوسوري وزملاؤه، بترميز كتاب مكون من 52000 كلمة في آلاف قصاصات الحمض النووي، باستخدام خيوط من الأبجدية المكونة من أربعة أحرف للحمض النووي وهي A و G و T و C لتشفير 0s و 1s للملف المرقم.
كان مخطط الترميز الخاص بهم غير فعال نسبيًا، ومع ذلك كان بإمكانه تخزين 1.28 بيتابايت فقط لكل جرام من الحمض النووي.
المناهج الأخرى كان أداؤها أفضل. لكن لم يتمكن أي منهم من تخزين أكثر من نصف ما يعتقد الباحثون أن الحمض النووي يمكن أن يتعامل معه بالفعل، حوالي 1.8 بت من البيانات لكل نوكليوتيد من الحمض النووي.
اعتقد إرليخ أنه يمكن أن يقترب من هذا الحد. لذلك نظر هو ودينا زيلينسكي، العالمة المشاركة في مركز الجينوم في نيويورك، في الخوارزميات التي كانت تُستخدم لترميز البيانات وفك تشفيرها.
بدأوا بستة ملفات، بما في ذلك نظام تشغيل كمبيوتر كامل، وفيروس كمبيوتر، وفيلم فرنسي من عام 1895 يسمى وصول قطار في La Ciotat، ودراسة عام 1948 من قبل منظّر المعلومات كلود شانون.
قاموا أولاً بتحويل الملفات إلى سلاسل ثنائية من 1s و 0s، وضغطوها في ملف رئيسي واحد، ثم قسموا البيانات إلى سلاسل قصيرة من التعليمات البرمجية الثنائية.
لقد ابتكروا خوارزمية تسمى "نافورة الحمض النووي"، والتي جمعت بشكل عشوائي الخيوط في ما يسمى بالقطيرات/ والتي أضافوا إليها علامات إضافية للمساعدة في إعادة تجميعها بالترتيب الصحيح لاحقًا. في المجمل، أنشأ الباحثون قائمة رقمية تضم 72000 خيط DNA، طول كل منها 200 قاعدة.
أرسلوا هذه البيانات كملفات نصية إلى Twist Bioscience. وهي شركة ناشئة مقرها سان فرانسيسكو بكاليفورنيا. قامت بعد ذلك بتجميع خيوط الحمض النووي.
بعد أسبوعين، تلقى إرليش وزيلينسكي في البريد قارورة تحتوي على ذرة من الحمض النووي لترميز ملفاتهم. لفك شفرتها، استخدم الزوج تقنية تسلسل الحمض النووي الحديثة.
تم إدخال التسلسلات في جهاز كمبيوتر، والذي قام بترجمة الشفرة الجينية مرة أخرى إلى ثنائي واستخدم العلامات لإعادة تجميع الملفات الأصلية الستة. نجح النهج بشكل جيد لدرجة أن الملفات الجديدة لا تحتوي على أخطاء، كما أفادوا اليوم في Science.
كانوا أيضًا قادرين على عمل عدد غير محدود تقريبًا من النسخ الخالية من الأخطاء من ملفاتهم من خلال تفاعل البلمرة المتسلسل، وهي تقنية قياسية لنسخ الحمض النووي. ما هو أكثر من ذلك، كما يقول إيرليش كانوا قادرين على تشفير 1.6 بت من البيانات لكل نيوكليوتيد، أي 60٪ أفضل من أي مجموعة قامت به من قبل و 85٪ الحد النظري.
يقول كوسوري، وهو الآن عالم كيمياء حيوية في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس: "أظن أنه هذه هي الدراسة النهائية التي تُظهر أنه يمكنك تخزين البيانات في الحمض النووي على نطاق واسع."
ومع ذلك، لاحظ Kosuri و Erlich أن النهج الجديد ليس جاهزًا للاستخدام على نطاق واسع حتى الآن. تكلف 7000 دولار لتجميع 2 ميغا بايت من البيانات في الملفات، و 2000 دولار أخرى لقراءتها. لكن من المرجح أن تنخفض التكلفة بمرور الوقت، لكن لا يزال أمامها طريق طويل، كما يقول إيرليش.
وبالمقارنة مع الأشكال الأخرى لتخزين البيانات، فإن الكتابة والقراءة إلى الحمض النووي بطيئة نسبيًا. لذلك من غير المحتمل أن يطير النهج الجديد إذا كانت هناك حاجة إلى البيانات على الفور، ولكنه سيكون أكثر ملاءمة لتطبيقات الأرشفة.
ثم مرة أخرى، من يدري؟ ربما سيتم استبدال مراكز البيانات العملاقة هذه على Facebook و Amazon يومًا ما بشاحنتين صغيرتين من الحمض النووي.
المصدر
↚