تأخذ الدراسة المتقدمة خطوة مهمة إلى الأمام في السعي لتطوير الحمض النووينظام تخزين قائم على البيانات الرقمية.
رقمي البيانات ينمو بمعدل هائل اليوم بسبب اعتمادنا على الأدوات الذكية ويتطلب تخزينًا قويًا على المدى الطويل. أصبح تخزين البيانات أمرًا صعبًا ببطء لأن التكنولوجيا الرقمية الحالية غير قادرة على توفير الحل. ومن الأمثلة على ذلك أنه تم إنشاء المزيد من البيانات الرقمية في العامين الماضيين أكثر من أي وقت مضى أجهزة الكمبيوتر، في الواقع يتم إنشاء 2.5 كوينتيليون بايت {1 كوينتيليون بايت = 2,500,000 تيرابايت (TB) = 2,500,000,000 جيجابايت (GB)} من البيانات كل يوم في العالم. ويشمل ذلك البيانات الموجودة على مواقع التواصل الاجتماعي، والمعاملات المصرفية عبر الإنترنت، وسجلات الشركات والمؤسسات، وبيانات الأقمار الصناعية، والمراقبة، والبحث والتطوير، وما إلى ذلك. وهذه البيانات ضخمة وغير منظمة. ولذلك، أصبح الآن تحديًا كبيرًا معالجة متطلبات التخزين الضخمة للبيانات ونموها المتسارع، خاصة بالنسبة للمؤسسات والشركات التي تحتاج إلى تخزين قوي طويل الأجل.
الخيارات المتاحة حاليًا هي القرص الصلب ، والأقراص الضوئية (CD) ، ووحدات الذاكرة ، ومحركات الأقراص المحمولة ، ومحرك الأشرطة الأكثر تقدمًا أو أقراص BluRay الضوئية التي تخزن ما يصل إلى 10 تيرابايت تقريبًا من البيانات. أجهزة التخزين هذه على الرغم من استخدامها بشكل شائع لها العديد من العيوب. أولاً ، تتميز بعمر تخزيني منخفض إلى متوسط ويجب تخزينها في ظروف درجة حرارة ورطوبة مثالية لتكون قادرة على الاستمرار لعقود عديدة ، وبالتالي تتطلب مساحات تخزين مادية مصممة خصيصًا. تستهلك جميع هذه الأجهزة تقريبًا قدرًا كبيرًا من الطاقة ، وهي ضخمة وغير عملية ويمكن أن تتضرر في حالة سقوط بسيط. بعضها مكلف للغاية ، وغالبًا ما يكون يعاني من أخطاء في البيانات ، وبالتالي فهو ليس قويًا بما يكفي. يُطلق على الخيار الذي تم قبوله عالميًا من قبل المؤسسة اسم الحوسبة السحابية - وهو ترتيب تستأجر فيه الشركة أساسًا خادمًا "خارجيًا" للتعامل مع جميع متطلبات تكنولوجيا المعلومات وتخزين البيانات ، والتي يشار إليها باسم "السحابة". واحدة من عيوب الحوسبة السحابية الأساسية هي مشكلات الأمان والخصوصية والضعف لهجمات المتسللين. هناك أيضًا مشكلات أخرى مثل التكاليف المرتفعة التي ينطوي عليها الأمر ، والتحكم المحدود من قبل المنظمة الأم والاعتماد على النظام الأساسي. لا تزال الحوسبة السحابية تعتبر بديلاً جيدًا للتخزين طويل الأجل. ومع ذلك ، يبدو أن المعلومات الرقمية التي يتم إنشاؤها في جميع أنحاء العالم تتجاوز بالتأكيد قدرتنا على تخزينها وهناك حاجة إلى حلول أكثر قوة لتلبية هذا الطوفان من البيانات مع توفير قابلية التوسع لمراعاة احتياجات التخزين المستقبلية أيضًا.
هل يمكن أن يساعد الحمض النووي في تخزين الكمبيوتر؟
الأهداف و الحمض النووي (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) يعتبر وسيلة بديلة مثيرة لتخزين البيانات الرقمية. الحمض النووي هي المادة ذاتية التكاثر الموجودة في جميع الكائنات الحية تقريبًا وهي ما يشكل معلوماتنا الوراثية. اصطناعية أو اصطناعية الحمض النووي هي مادة متينة يمكن تصنيعها باستخدام آلات تصنيع قليل النوكليوتيد المتوفرة تجاريًا. الفائدة الأساسية للحمض النووي هي طول عمره الحمض النووي تدوم 1000 مرة أطول من السيليكون (رقاقة السيليكون – المادة المستخدمة في البناء أجهزة الكمبيوتر). بشكل مثير للدهشة ، فقط ملليمتر مكعب واحد من الحمض النووي يمكن أن تحتوي على كوينتيليون بايت من البيانات! الحمض النووي وهي أيضًا مادة مضغوطة للغاية ولا تتحلل أبدًا ويمكن تخزينها في مكان بارد وجاف لمئات القرون. كانت فكرة استخدام الحمض النووي للتخزين موجودة منذ فترة طويلة تعود إلى عام 1994. والسبب الرئيسي هو الطريقة المماثلة التي يتم بها تخزين المعلومات في الكمبيوتر وفي حاسوبنا. الحمض النووي - حيث أن كلاهما يخزن مخططات المعلومات. يقوم الكمبيوتر بتخزين جميع البيانات في صورة 0 و1، ويقوم الحمض النووي بتخزين جميع بيانات الكائن الحي باستخدام القواعد الأربع - الثيمين (T)، والجوانين (G)، والأدينين (A)، والسيتوزين (C). لذلك، يمكن تسمية الحمض النووي بجهاز تخزين قياسي، تمامًا مثل الكمبيوتر، إذا كان من الممكن تمثيل هذه القواعد على شكل 0 (القاعدتان A وC) و1s (القاعدتان T وG). الحمض النووي قوي وطويل الأمد، وأبسط انعكاس لذلك هو أن شفرتنا الجينية - مخطط جميع معلوماتنا المخزنة في الحمض النووي - تنتقل بكفاءة من جيل إلى جيل بطريقة متكررة. يحرص جميع عمالقة البرمجيات والأجهزة على استخدام الحمض النووي الاصطناعي لتخزين كميات هائلة لتحقيق هدفهم المتمثل في حل أرشفة البيانات على المدى الطويل. تتمثل الفكرة أولاً في تحويل رمز الكمبيوتر 0 و1 إلى رمز الحمض النووي (A، C، T، G)، ثم يتم استخدام رمز الحمض النووي المحول لإنتاج خيوط اصطناعية من الحمض النووي والتي يمكن بعد ذلك وضعها في التخزين البارد. كلما لزم الأمر، يمكن إزالة خيوط الحمض النووي من التخزين البارد وفك تشفير معلوماتها باستخدام آلة تسلسل الحمض النووي ويتم ترجمة تسلسل الحمض النووي أخيرًا إلى تنسيق كمبيوتر ثنائي مكون من 1 و0 لقراءته على الكمبيوتر.
لقد تم عرضها1 أن بضعة جرامات فقط من الحمض النووي يمكنها تخزين كوينتيليون بايت من البيانات والحفاظ عليها سليمة لمدة تصل إلى 2000 عام. ومع ذلك، واجه هذا الفهم البسيط بعض التحديات. أولاً، إن كتابة البيانات إلى الحمض النووي أمر مكلف للغاية وبطيء للغاية، أي التحويل الفعلي للأصفار والواحدات إلى قواعد الحمض النووي (A، T، C، G). ثانيًا، بمجرد "كتابة" البيانات على الحمض النووي، يصبح من الصعب العثور على الملفات واسترجاعها ويتطلب تقنية تسمى الحمض النووي التسلسل - عملية تحديد الترتيب الدقيق للقواعد داخل الحمض النووي الجزيء - وبعد ذلك يتم فك تشفير البيانات مرة أخرى إلى 0 و1.
دراسة حديثة2 بواسطة علماء من Microsoft Research وجامعة واشنطن قد حققوا "وصول عشوائي" لتخزين الحمض النووي. جانب "الوصول العشوائي" مهم جدًا لأنه يعني أنه يمكن نقل المعلومات من أو إلى مكان (ذاكرة بشكل عام) حيث يمكن الوصول إلى كل موقع ، بغض النظر عن مكانه في التسلسل ، ويمكن الوصول إليه مباشرة. باستخدام تقنية الوصول العشوائي هذه ، يمكن استرداد الملفات من تخزين الحمض النووي بطريقة انتقائية مقارنة بما كان عليه في وقت سابق ، عندما تطلب مثل هذا الاسترجاع الحاجة إلى تسلسل وفك تشفير مجموعة بيانات DNA كاملة للعثور على الملفات القليلة التي يريدها الشخص واستخراجها. تزداد أهمية "الوصول العشوائي" عندما تزداد كمية البيانات وتصبح ضخمة لأنها تقلل من مقدار التسلسل الذي يجب القيام به. ولأول مرة يتم عرض الوصول العشوائي على هذا النطاق الواسع. طور الباحثون أيضًا خوارزمية لفك تشفير البيانات واستعادتها بشكل أكثر كفاءة مع تحمل أكبر لأخطاء البيانات مما يجعل إجراء التسلسل أسرع أيضًا. تم ترميز أكثر من 13 مليون أليغنوكليوتيدات DNA اصطناعية في هذه الدراسة والتي كانت عبارة عن بيانات بحجم 200 ميغا بايت تتكون من 35 ملفًا (تحتوي على فيديو وصوت وصور ونص) يتراوح حجمها من 29 كيلو بايت إلى 44 ميجا بايت. تم استرداد هذه الملفات بشكل فردي بدون أخطاء. أيضًا ، ابتكر المؤلفون خوارزميات جديدة أكثر قوة وتحملًا للخطأ في كتابة وقراءة تسلسل الحمض النووي. نشرت هذه الدراسة في طبيعة التكنولوجيا الحيوية في تقدم كبير يظهر وجود نظام قابل للتطبيق وواسع النطاق لتخزين واسترجاع الحمض النووي.
يبدو نظام تخزين الحمض النووي جذابًا للغاية لأنه يتمتع بكثافة بيانات عالية وثبات عالي وسهل التخزين، ولكن من الواضح أنه يواجه العديد من التحديات قبل أن يتم اعتماده عالميًا. عوامل قليلة هي الوقت وفك تشفير الحمض النووي (التسلسل) وكذلك تخليق الحمض النووي. الحمض النووي. تتطلب هذه التقنية مزيدًا من الدقة وتغطية أوسع. على الرغم من التقدم الذي تم إحرازه في هذا المجال، إلا أن التنسيق الدقيق الذي سيتم تخزين البيانات به على المدى الطويل الحمض النووي لا يزال يتطور. وتعهدت مايكروسوفت بتحسين إنتاج الحمض النووي الاصطناعي ومواجهة التحديات لتصميم جاهز للعمل بكامل طاقته الحمض النووي نظام التخزين بحلول عام 2020.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
1. Erlich Y and Zielinski D 2017. تتيح نافورة DNA بنية تخزين قوية وفعالة. علم. 355 (6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. الوصول العشوائي إلى تخزين بيانات الحمض النووي على نطاق واسع. التكنولوجيا الحيوية الطبيعة. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
