با گسترش بسیار فراوان مقدار داده‌ها، نیاز به ابزارهای بایگانی‌ آن‌ها روزبه‌روز بیشتر احساس می‌شود. پژوهشگران توانسته‌اند با توالی از DNA حجم بسیار زیادی از داده‌ها را بر رشته‌های کوچک DNA ذخیره نمایند و با موفقیت آن‌ها را بازیابی کنند.  

دیسک‌های سخت یا دی‌وی‌دی‌ها را فراموش کنید. اگر می‌خواهید مقادیر زیادی از اطلاعات را ذخیره کنید در عوض به دنبال DNA باشید، مولکولی که ژن‌ها از آن ساخته می‌شوند. دانشمندان در انگلستان در حدود یک مگابایت از متن، عکس و صدا را در بخش کوچکی از DNA ذخیره کرده‌اند و سپس تقریبا بی‌نقص اطلاعات را بازگردانی کرده‌اند. آن‌ها می‌گویند که نسخه بزرگ مقیاسی از فناوری می‌تواند شکلی بسیار قدرتمند و طولانی را از ذخیره دیجیتالی فراهم نماید که به‌ویژه برای بایگانی داده مناسب است.

به

همان اندازه که میزان بیشتری از داده‌های الکترونیکی تولید می‌شوند، مسئله چگونگی ذخیره‌سازی داده حادتر می‌شود. گزینه‌های بسیاری برای بایگانی داده وجود دارد اما همه آن‌ها نواقصی دارند. برای مثال، دیسک‌های سخت به کاررفته در مراکز داده گران هستند و به منبع پیوسته برق نیاز دارند و با این‌که نوار مغناطیسی نیازی به توان ندارد، بعد از چند سال کم‌کم خراب می‌شود.

استخوان های نئاندرتال

در آخرین پژوهش‌، نیک گلدمن (Nick Goldman) و همکارانش در موسسه بیوانفورماتیک اروپا در نزدیکی کمبریج، با کدکردن اطلاعات دیجیتالی در چهار پایه متفاوت DNA، اطلاعات را بر آن ذخیره کرده‌اند. در حالی که روش ذخیره‌سازی قابلیت دسترسی تصادفی یا بازنویسی را ندارد، دو مزیت عمده دارد. یکی این که چگالی بسیار بالایی دارد – به خاطر اطلاعات ذخیره‌شده در سطح اتمی – و دیگری طول‌عمر آن است. همان‌طور که گلدمن اشاره می‌کند DNA سالمی از استخوان‌های نئاندرتالی به دست‌ آمده که مربوط به ده‌ها هزار سال قبل است. او می‌گوید: «طبیعت کشف کرده که این مولکول بسیار پایدار است. و ما بر پشت طبیعت سوار شده‌ایم.»

گروه از DNA استفاده کرد که در آزمایشگاه ساخته شد، زیرا DNA ارگانیسم‌های زنده نسبت به جهش آسیب‌پذیر هستند و بنابراین داده از دست می‌رود. اما در انتخاب این رهیافت، پژوهشگران با دو مانع بزرگ روبرو بودند. یکی این واقعیت که با فناوری فعلی، ساخت یا «ترکیب» DNA فقط در رشته‌های کوتاه ممکن و هرچه رشته کوتاه‌تر، ظرفیت حمل اطلاعات آن کمتر است. برای غلبه بر این مشکل، گلدمن و همکارانش روش کدگذاری را طراحی‌ کردند که در آن بخشی از هر رشته برای اهداف نمایه‌سازی رزرو می‌شود، این کار مشخص می‌کند که رشته متعلق به کدام فایل و در چه نقطه‌ای از فایل واقع است. بنابراین امکان ایجاد یک فایل از چندین رشته را فراهم می‌آورد.

تریت‌های کدگذاری

چالش دوم این بود که چگونه از خطاهای حین نوشتن و خواندن جلوگیری کنیم؛ مسئله‌ای که به طور خاص وقتی مطرح است که پایه‌های مجاور تنوع یکسانی دارند. راه‌حل این بود که داده ها در تریت (trit)[۱] کدگذاری شوند – داده‌هایی با مقادیر ۰، ۱ و ۲؛ و یک تریت خاص با یکی از سه پایه نمایش می‌یابد که برای کدگذاری تریت بلافاصله بعدی استفاده نشده‌اند. اقدام بعدی این بود که ۷۵٪ انتهایی هر رشته به ابتدای رشته بعدی کپی شود.

گروه این روش را با کدگذاری پنج فایل داده در یک توالی DNA آزمود و سپس این توالی را به ۱۵۰۰۰۰ رشته منفرد تجزیه کرد که ۱۱۷ پایه طول داشت. از قضا یکی از فایل‌ها نسخه PDF مقاله مارپیچ دوتایی واتسون (Watson) و کریک (Crick) است که به شکل موفق در مارپیچ‌های دوگانه کد شده است. متن غزلیات شکسپیر و صدایی ۳۰ ثانیه‌ای از سخنرانی معروف مارتین لوترکینگ (Martin Luther King) با نام «من رویایی دارم» نیز در قالب MP3 ذخیره شدند. گروه سپس فایل‌های کدشده را درون یک صفحه وب خصوصی بارگذاری کردند تا شرکت Agilent Technologies در کالیفرنیا DNAها را ترکیب کنند. این کار شامل استفاده از نوعی پیچیده چاپگر جوهرافشان است که معرف‌های شیمیایی را بر روی میکروسکوپی می‌پاشد تا در هر زمان یک مولکول افزوده شود تا رشته‌ای از DNA شکل بگیرد و سپس این فرایند برای تولید هزاران رشته موردنیاز تکرار می‌شود.

به شکل مقدار بسیار اندکی از پودر در دمای اتاق و بدون بسته‌بندی تخصصی، DNA به هایدلبرگ آلمان مقر اصلی آزمایشگاه زیست‌شناسی مولکولی اروپا رسید که موسسه بیوانفورماتیک اروپا بخشی از آن است. سپس با استفاده از یک دستگاه آزمایشگاهی استاندارد و جایگذاری در یک محلول، DNA خوانده یا «متوالی» شد و مجموعه پایه‌ها روی یک رایانه کدگشایی شدند تا پنج فایل بازتولید شوند. چهار نمونه از فایل‌ها رونوشت‌هایی همسان از اصل فایل‌ها هستند در حالی که پنجمی تنظیم‌هایی کوچک برای بازیابی کل مجموعه داده نیاز داشت.

ویدیویی در فنجان چای

گلدمن و همکاران ادعا می کنند که به چگالی ۲ پتابایت (۱۰^۱۵ بایت) در یک گرم DNA دست یافته‌اند که بر اساس محاسبه آن‌ها و بر این اساس، حداقل ۱۰۰ میلیون ساعت ویدیوی باکیفیت را در یک فنجان چای می‌توان جای داد. نمونه DNA آن‌ها بسیار کوچک بود. گلدمن می‌گوید: «در لوله آزمایش ما، DNA شبیه یک تکه غبار به نظر می‌رسد. در واقع نمونه به‌قدری کوچک است که تقریبا لوله آزمایش خالی به نظر می‌رسد.»

در حال حاضر، فناوری بایگانی‌سازی طولانی‌مدت بسیار گران است. اما گلدمن مطمئن است که قیمت‌ها پایین خواهد آمد و علاقه به پژوهش DNA ادامه خواهد داشت. اگر هزینه ترکیب DNA در طی دهه بعد ۱۰۰ برابر کاهش یابد – که او را امکان‌پذیر می‌کند – او می‌گوید این روش به ارزانی نوارهای مغناطیسی در طی حدود ۵۰ سال است. به این خاطر که برخلاف نوارها – که باید آن‌ها را به شکل تناوبی بازنوشت – تا زمانی که محل نگهداری آن خنک، خشک و تاریک باشد، DNA تغییر نمی‌یابد.

کار فعلی پژوهش‌های مشابهی را تعقیب می‌کند که سال قبل توسط گروهی انجام شد و سریرام کوسوری  (Sriram Kosuri)  در مدرسه پزشکی هاروارد عضوی از آن بود. گروه او از روش کدگذاری استفاده کرد که به جای تریت دارای بیت بود و فراوانی نسبتا کمتری داشت. با این حال، او می‌گوید که دو روش «رویکردهایی یکسان به یک مفهوم هستند.» به اضافه هر دو مجموعه نشان می‌دهند که ذخیره DNA «دارد به مقیاسی می‌رسد که موردعلاقه سرمایه‌گذاران است».

منبع: Digital files stored and retrieved using DNA memory

مرجع:

Towards practical, high-capacity, low-maintenance

information storage in synthesized DNA

[۱] سیستم عددگذاری در پایه ۳ ternary نامیده می‌شود. همان‌طور

که در سیستم دودویی ارقام را بیت می‌نامند، در این پایه ارقام را trit

می‌نامند.