انقلاب شگفت انگیز در ذخیره سازی به وسیله دی ان ای!

شفاآنلاین>سلامت>با گذشت سال‌ها، اکثر سیستم‌های ذخیره‌سازی داده‌ها، در نهایت از کار خواهند افتاد؛ اما همیشه جایگزین‌هایی نیز وجود دارد.

 به گزارش شفاآنلاین:تحقیق درباره ذخیره داده‌های دیجیتال در داخل رشته‌های DNA از دهه قبل و در پی تلاش‌ها برای توالی‌یابی ژنوم انسان، سنتز DNA و توسعه ژن‌درمانی آغاز شده و محققان تا امروز چندین فیلم، کتاب و سیستم عامل‌های کامپیوتر را در DNA رمزگذاری کرده‌اند. حتی نتفلیکس هم از این کار برای ذخیره کردن اپیزودی از سریال Biohackers بهره برده.

اطلاعات ذخیره شده درDNA به‌طور کلی انسان بودن (یا هرگونه دیگری) را مشخص می‌کند ولی بسیاری از متخصصان معتقدند که این روش ذخیره‌سازی، فوق‌العاده فشرده، بادوام و طولانی مدتی است که می‌تواند جایگزین بسیاری از روش‌های غیرقابل اعتماد و نامطمئن ذخیره داده‌های دیجیتال شود؛ به ویژه که در این روش‌های نامطمئن بسیاری از داده‌ها از بین رفته و در عین حال به انرژی زیادی برای ذخیره نیاز خواهد بود. از سوی دیگر برخی از محققان به دنبال روش‌های دیگری هستند تا بتوان داده‌ها را به شیوه‌ای موثر و برای همیشه ذخیره کرد؛ شیوه‌هایی مثل حکاکی کردن و خراشیدن اطلاعات برروی مهره‌های بسیار بادوام شیشه‌ای که برداشتی مدرن از نقاشی در غارهاست.

 

چرا هارد دیسک‌ها قابل اعتماد نیستند؟

بر اساس گزارش بی‌بی‌سی، بسیاری از مجموعه داده‌هایی که تولید کرده‌ایم به‌صورت کدهای صفر و یک برروی نوارهای مغناطیسی مثل هارد دیسک‌ها ذخیره شده‌اند؛ اما این راهکار ایده‌آلی نیست؛ مغناطیس‌زدایی، معضل بزرگی است؛ یعنی آهنرباهای دائمی به تدریج میدان مغناطیسی‌شان را از دست می‌دهند؛ پس برای حفظ ایمن داده‌ها، مهم است که هرچند سال یک بار، دوباره آنها را در هارد دیسک ذخیره کنید. دینا زیلینسکی، محقق ارشد ژنومیک انسانی در انستیتو ملی تحقیقات سلامتی و پزشکی فرانسه دراین باره گفته:«به طور میانگین داده‌ها در هارد دیسک‌ها، بین ۱۰ تا ۲۰ سال دوام می‌آورند؛ اگر خوش‌شانس باشید و شرایط هم ایده‌آل باشد، شاید طول عمرشان تا ۵۰ سال هم برسد.»

ذخیره داده‌ها به مراکز داده عظیمی نیاز دارد که به انرژی زیادی برای خنک نگه داشتنش نیاز خواهد بود و این خودش مشکل بزرگی است؛ برنامه ذخیره‌سازی اطلاعات مولکولی دولت آمریکا (Mist) که درسال ۲۰۱۹ راه‌اندازی شده به دنبال جایگزینی برای ذخیره‌سازی داده‌های عظیم فعلی است.

چرا افراد به حفظ داده‌هایشان نیاز دارند؟

مردم دلایل مختلفی برای حفظ داده‌هایشان برای مدت زمان‌های طولانی دارند؛ اول بحث علوم مطرح می‌شود؛ محققان حجم بالایی از اطلاعات تولید می‌کنند و هرچه داده‌هایشان بیشتر باشد، بهتر خواهد بود. تلسکوپ‌های رادیویی و شتاب دهنده‌های ذرات، مثل LHC در سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (معروف به سرن) در مرز سوئیس و فرانسه، مجموعه‌ای از داده‌ها را تولید می‌کند و طبق گفته لاتچسار لونکوف، دانشمند علوم کامپیوتر که روی ذخیره DNA در آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس کار می‌کند، گفته که دانشمندان خواهان آن هستند تا همه این داده‌ها را حفظ کنند. خود LHC سالانه به تنهایی ۹۰ پتا بایت (۹۰ میلیون گیگابایت) داده تولید می‌کند.

مارک بات، پروفسور مهندسی بیولوژیک در موسسه فناوری ماساچوست، یکی از بانیان استارت‌آپ Cache DNA است که برای ایجاد دسترسی گسترده و مفید به بیومولکول‌ها راه‌اندازی شده است. بات در این باره گفته:«تهدیدهای جهانی که بشریت با آن روبروست، ما را برآن واداشته تا هم از اطلاعات دست‌ساز بشر مثل هنر و علم محافظت کنیم و هم از DNA تمام موجودات زنده روی کره زمین.

ذخیره اطلاعات برروی DNA

بسیاری از محققان ذخیره‌سازی DNA بر این باورند که برای ذخیره‌سازی گسترده و طولانی مدت اطلاعات به محیط ذخیره‌سازی فوق‌العاده ای دست یافته‌اند. ما عموما DNA را به‌عنوان راهی برای ذخیره اطلاعات ژنتیکی و ژنومی می‌بینیم؛ اما بسیاری از محققان حالا از امکان ذخیره حجم عظیمی از داده‌های دیجیتال که در حال حاضر مراکز داده در سراسر جهان را به سرحد انفجار رسانده، حسابی هیجان زده‌اند.

بات دراین باره می‌گوید:« DNA یک انتخاب طبیعی است؛ طبیعت هزاران سال است که از DNA برای ذخیره اطلاعات به شیوه ژنوم‌ها بهره می‌برد و میلیاردها سال است که این‌گونه است و چیزی است که می‌توان به نحوی روی آن سرمایه‌گذاری کرد. تا زمانی که DNA وسیله ذخیره‌سازی اطلاعات اساسی یک گونه، مثل انسان‌ها باشد، چیزی است که می‌دانیم باید با آن چه کنیم.»

خطراتی که DNA را تهدید می‌کنند


مزایای بهره‌گیری از DNA برای ذخیره داده‌ها

یکی از مزایای بزرگ DNA این است که ذخیره‌ای بسیار متراکم از اطلاعات است، در حدی که قابل مقایسه با هیچ دستگاه ساخت بشر نیست. طبق گفته ایونکوف و براساس برآوردها ۳۳ زتابایت از داده‌هایی که انسان‌ها در سال ۲۰۲۵ تولید خواهند کرد ( یعنی ۳.۳ با ۲۲ تا صفر) را می‌توان در یک ذخیره DNA به اندازه یک توپ پینگ‌پونگ ذخیره‌سازی کرد. او براین باور است که ذخیره این حجم از اطلاعات در DNA چند دهه به طول خواهد انجامید.

معایب ذخیره داده‌ها روی DNA

البته در این مسیر چالش‌های بزرگی نیز پیش روست. در مقاله‌ای که درسال ۲۰۱۸ منتشر شد، گرچه DNA پتانسیل عظیمی به‌عنوان ابزاری برای ذخیره داده‌ها در آینده دارند، ولی تنگناهای متعددی مثل هزینه‌های سنگین، مکانسیم‌های نوشتن و خواندن کند و آسیب‌پذیری جهش‌ها و یا خطاهایی نیز وجود دارند که باید برطرف شوند.

از جمله موانع بزرگ برای ذخیره حجم بالایی از اطلاعات برروی DNA، هزینه سرسام‌آور آن است که به مراتب بالاتر از ذخیره اطلاعات روی هارددیسک‌هاست. طبق گفته زیلینسکی، ذخیره پنج کالای دیجیتال (یک مقاله علمی، فیلم یک دقیقه‌ای، سیستم عامل کامپیوتر و کارت هدیه آمازون)، هزینه‌ای در حدود ۷۵۰۰ دلار به همراه خواهد داشت. او دراین باره گفته:« هزینه ذخیره‌سازی برروی DNA متغیر است؛ چرا که به متد سنتز و همچنین طرح رمزگذاری و نحوه رمزگشایی آن بستگی دارد.» زیلینسکی ادامه داد:« تمرکز اصلی ما برروی کاهش هزینه‌های سنتز این فرآیند است.»

ذخیره داده‌ها برروی DNA طبیعی

گزینه دیگری هم که مانع از سنتز می‌شود، امکان ذخیره داده‌ها در DNA طبیعی است که دستخوش تغییراتی شده که این روش می‌تواند بسیار ارزان‌تر از ساخت مولکول‌های DNA جدید باشد. بدین ترتیب که مولکول اصلی نقطه مرجع کد خواهد بود و نیازی به سنتز نیست. این بدین معناست که فرآیند ارزان‌تر بوده و از محصولات جانبی سمی مرتبط با سنتز DNA اجتناب خواهد شد.

ایونکوف نیز دراین رابطه گفته:« به این دلیل که ما می‌توانیم داده‌هایی از فسیل‌ها به دست بیاوریم، تقریبا اطمینان داریم که ذخیره DNA می‌تواند برای مدتی طولانی دوام بیاورد. مثلا ما قادر خواهیم بود تا این اطلاعات را هزار سال دیگر نیز بخوانیم.»

خطراتی که بشریت را تهدید می‌کنند

البته طبق گفته زیلینسکی استفاده گسترده و جهانی از سنتز DNA ممکن است خطراتی را با خود به همراه داشته باشد؛ مثلا اینکه مردم ممکن است سعی کنند تا از این روش برای ذخیره موارد دیگری به جز دیتا و اطلاعات بهره ببرند و مثلا ویروس یا باکتری را سنتز کنند و یا حتی DNA فردی را ساخته و آن را در صحنه جنایت به کار گرفته و رها کند.

جایگزین‌های دیگری برای این روش

با درنظر داشتن این موارد، این موضوع ارزش آن را دارد که درباره جایگزین‌های دیگری برای ذخیره‌سازی داده‌های DNA بررسی کنیم. پیتر کازانسکی، استاد اپتوالکترونیک دانشگاه ساوثهمپتون، فناوری ذخیره نوری ساخته که به نظرش رقیب ارزشمندی برای ذخیره داده در DNA است و معتقد است که داده‌های ذخیره شده به شیوه او، میلیون‌ها یا میلیاردها سال باقی خواهند ماند.

این تیم برروی نوشتن با لیزر در فمتوثانیه ( یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه) کار می‌کند و با استفاده از لیزری مشابه با لیزر مورد استفاده در جراحی چشم، اطلاعات را برروی دیسک‌های شیشه‌ای سیلیسی مقاومی می‌خراشد. کازانسکی دراین رابطه می‌گوید:« ما کشف کردیم که در این شرایط می‌توان نانوساختارهای بسیار کوچکی را تشکیل داد و از این ساختار برای رمزگذاری اطلاعات استفاده می‌کنیم.» این روند کاملا مشابه با روند رایت کردن CD یا DVD است که با بهره‌گیری از پلیمرهای نور لیزر انجام می‌گیرد ولی در این تکنولوژی جدید، ساختارها واقعا کوچک و پایدار هستند و در دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز دوام می‌آورند و در تماس با تشعشات نیز آسیب نمی‌بینند.

گزینه‌های مولکولی برای کدگذاری داده‌ها

دیگر محققان هم درحال بررسی گزینه‌های مولکولی برای کدگذاری کردن داده‌هایی هستند که شامل DNA نمی‌شوند؛ روش‌هایی مثل استفاده از زنجیره‌های انواع دیگر مولکول‌های مصنوعی که سنتز کردنشان راحت‌تر و ارزان‌تر است؛ از جمله کدی که بتوان به راحتی توسط کنترل کردن جرم مولکول‌های منفرد ایجاد کرد؛ با جرم‌های مختلفی که ترکیبی از صفر و یکهاست.

درحال حاضر توانایی رمزگذاری داده‌های دیجیتال به DNA ، محصور کردن آن و محافظت از آن برای صدها و هزاران سال وجود دارد. و تنها نقطه ضعف موجود، انتخاب داده‌ای است که این کار را برروی آن انجام داد و یا نحوه غلبه بر گلوگاه سنتز DNA است تا بتوان حجم بیشتری از داده‌ها را ذخیره کرد. ایونکوف دراین باره گفته:« من هیجان زده‌ام که از DNA برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شود ولی به نظر من هنوز به بیست سال دیگر زمان نیاز است.»

زیلینسکی نیز معتقد است که انسان‌ها در بین پنج تا ده سال آینده، استفاده از DNA برای ذخیره‌سازی داده‌هایی که نیاز به دسترسی مداوم به آنها ندارند (از جمله سوابق مالی مهم یا داده های تاریخی) را آغاز خواهند کرد.