ثبت رکوردهای تازه در ذخیره سازی داده روی DNA

رشته های DNA که در تک تک سلول های بدنمان خانه دارند حجم بالایی از اطلاعات را در خود ذخیره کرده اند و سال هاست که پژوهش های مختلفی با هدف درک توانمندی بالای این رشته ها در ذخیره سازی اطلاعات و بهره گیری از آن در نسل آتی دستگاه های ذخیره سازی داده در دست انجام است.

حالا تیمی متشکل از پژوهشگران مایکروسافت و دانشگاه واشنگتن به رکورد تازه ای در این رابطه دست یافته اند و موفق شدند 200 مگابایت داده را روی رشته های DNA ذخیره سازی و بازیابی نمایند.

در سال های اخیر، کوچک سازی ابعاد فیزیکی ابزارهای ذخیره سازی داده بهبود قابل توجهی یافته و همزمان ظرفیت این محصولات نیز به میزان چشمگیری بالا رفته است؛ حالا می توان صدها گیگابایت داده را در دستگاه هایی نگهداری کرد که ابعادشان از یک کف دست فراتر نمی رود.

اما ماجرا اینجاست که حجم داده های تولیدی در هر سال به مراتب از روند پیشرفت تکنولوژی های مرتبط با ذخیره سازی داده بیشتر است و آنطور که برآورد شده، کل حجم داده های مورد استفاده در دنیا تا سال 2020 به رقم 44 تریلیون گیگابایت خواهد رسید.

متاسفانه حتی بهترین دستگاه هایی که هم اکنون برای این منظور در بازار موجود هستند تنها راهکارهایی کوتاه مدت برای حل این مساله به شمار می روند. هارد درایوها و ابزارهای ذخیره سازی اپتیکال نظیر DVD و دیسک های بلو-ری بسیار آسیب پذیرند و با مرور زمان کیفیت خود را از دست می دهند و عمر مفیدشان در بهترین شرایط از چند دهه تجاوز نمی کند.

با در نظر داشتن همین مساله، دانشمندان حالا دست به کار بررسی هارد درایوهای طبیعی یعنی همان DNA شده اند تا از آنها به عنوان راهکار بالقوه ذخیره سازی دراز مدت و در حجم بالا برای اطلاعات بهره بگیرند. همانطور که پژوهش های صورت گرفته روی بدن انسان نشان می دهند، DNA ابزاری فوق العاده برای ذخیره سازی حجم بالایی از اطلاعات به شمار می رود و در هر میلیمتر مکعب آن می توان 5.5 پتابایت (معادل با 125 هزار گیگابایت) داده را ذخیره سازی کرد.

حال با در نظر داشتن همین ویژگی پروفسور Luis Ceze از دانشگاه واشنگتن اعلام داشته که می توان تمامی 700 اگزابایت داده موجود در اینترنت جهانی را روی فضایی به اندازه یک جعبه کفش جای داد.

بعد از ذخیره سازی این اطلاعات می توان آن جعبه کفش را در گوشه ای گذاشت و برای مدت هزاران سال نگهداری اش کرد بی آنکه اطلاعات ذخیره شده روی آن آسیبی ببینند. طبق شواهد به دست آمده از بقایای ماموت ها، که ظاهرا هنوز هم با گذشت هزاران سال از مرگشان حاوی اطلاعات ژنتیکی هستند، اینطور به نظر می رسد که DNA به شدت سخت است و می تواند اطلاعات را تحت بدترین شرایط برای هزاران سال در خود ذخیره نماید.

البته بعید به نظر می رسد که در آینده نزدیک از هارد درایوهای مبتنی بر DNA برای ذخیره سازی عکس مربوط به تعطیلات خود استفاده نماییم با این همه، پروژه ای که اخیرا در این باره کلید خورده جهشی بسیار بزرگ به سمت ایجاد تکنولوژی های کارامد آرشیو برای سازمان هایی خواهد بود که با حجم بالایی از اطلاعات سر و کار دارند.

تیم متشکل از پژوهشگران مایکروسافت و دانشگاه واشنگتن توانست در پژوهش خود بیانیه جهانی حقوق بشر را به صد زبان مختلف دنیا، 100 عنوان کتاب مربوط به پروژه گوتنبرگ، دیتابیس Crop Trust و یک موزیک ویدئوی اچ دی را روی رشته دی ان ای ذخیره سازی نمایند. حجم کل داده ها برابر با 200 مگابایت عنوان گردید و فضای فیزیکی مورد استفاده برای این منظور هم کمتر از نوک یک مداد اعلام شد.

در دنیایی که داده های دیجیتالی معمولا با گیگابایت و ترابایت اندازه گیری می شود، 200 مگابایت شاید خیلی هم زیاد نباشد، اما در پژوهش های پیشتر انجام شده در این باره، دانشمندان تنها توانستند چند کیلوبایت داده را روی DNA ذخیره سازی نمایند.

برای مثال، در سال 2012 میلادی، جرج چرچ یکی از متخصصان ژنتیک در دانشگاه هاروارد توانست کتاب الکترونیکی خود را روی DNA پیاده سازی کند که در اصل حاوی 700 کیلوبایت متن HTML، عکس و دستورالعمل های فرمت بندی بود.

حالا محققان دانشگاه واشنگتن با همراهی تیم مایکروسافت و گروهی از کارشناسان شرکت Twist Bioscience توانسته اند با بهره گیری از شباهت های موجود میان کدهای طبیعی DNA و زبان باینری کدهای کامپیوتری، آن اطلاعات را روی یک رشته DNa ذخیره نمایند.

Ceze در این باره گفت: جالب است بدانید که DNA نوعی «طعم» دیجیتالی هم دارد چراکه از چهار مولکول و پایه تشکیل شده که به شیوه ای قابل برنامه ریزی به هم می چسبند. بنابراین گام نخست ذخیره سازی داده های دیجیتالی درون DNA ترسیم نقشه ای از صفرها و یک ها در رشته های متشکل از نوکلئوتیدهاست.

تیم محققان با استفاده از تکنیک های واکنش زنجیره ای پلیمرها «آدرسهایی» را به توالی ها اختصاص دادند تا از این طریق آنها را در یافتن داده های مطلوب خود در آینده یاری دهند. از آن نقطه به بعد، توالی های DNA به صورت شیمیایی و با استفاده از نوعی مشتق سنتزی DNA سیلیکون-پایه تولید خواهند شد که به صورت همزمان قادر است چندین توالی را ایجاد نماید. بعد از تکمیل این فرایند، DNA درون یک لوله آزمایشگاهی قرار داده می شود و آب آن گرفته خواهد شد. به این ترتیب در صورتی که لوله و محتویاتش دور از نور و حرارت نگهداری شوند می تواند برای هزاران سال سالم باقی بماند.

اما برای خواندن این اطلاعات به یک توالی سنج DNA نیاز خواهد بود و البته الگوریتم هایی که آن را به زبان دیجیتالی اصلی برگردان کنند. بخشی از این داده ها ممکن است در فرایند ترجمه از بین بروند که دانشمندان برای کنار زدن این مشکل از مکانیزم های تصحیح خطای به کار رفته در مموری های کامپیوتری استفاده کردند.

خواندن و نوشتن داده روی DNA گرچه شیوه ای قابل اطمینان است، با این همه درست مانند هارد درایوها و حافظه های الکترونیکی خطاهایی دارد. بنابراین آنطور که Ceze می گوید لازم بود کدهای تصحیح کننده خطا برای بازیابی داده ها توسعه داده شوند که با این کار، حتی یک بایت داده هم از بین نرفت.

این گروه همچنین یکی از دو تیم فعال در این زمینه در ایالات متحده آمریکاست که توانایی اجرای تکنیک «دسترسی تصادفی به داده ها» را دارد؛ فرایندی که به آنها امکان می دهد توالی های مد نظر خود را از میان حجم بالایی از مولکول های تصادفی DNA تشخیص داده و بازیابی نمایند.

البته همانطور که به نظر می رسد، فرایند خواندن و نوشتن داده روی رشته های DNA هنوز تا رسیدن به سطح عملیاتی به زمان زیادی نیاز دارد و تا آن موقع باید برای ذخیره سازی عکس ها و ویدئوهای مدنظر خود به ابزارهای موجود بسنده کنیم.