أظهر المهندسون البيولوجيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لاسترداد ملفات البيانات المخزنة على هيئة DNA بسهولة. قد تكون هذه خطوة نحو استخدام أرشيفات الحمض النووي لتخزين كميات هائلة من الصور والصور والمحتويات الرقمية الأخرى. الائتمان: الصورة: MIT News. أيقونات صغيرة بإذن من الباحثين
يمكن أن تساعد تقنية وضع العلامات واسترجاع ملفات بيانات الحمض النووي من مجموعة كبيرة في جعل تخزين بيانات الحمض النووي ممكنًا.
يوجد على الأرض الآن حوالي 10 تريليون غيغابايت من البيانات الرقمية ، وكل يوم ، ينتج البشر رسائل بريد إلكتروني وصور وتغريدات وملفات رقمية أخرى تضيف ما يصل إلى 2.5 مليون غيغابايت أخرى من البيانات. يتم تخزين الكثير من هذه البيانات في منشآت هائلة تُعرف باسم مراكز بيانات إكسابايت (إكسابايت هو 1 مليار غيغابايت) ، والتي يمكن أن تكون بحجم العديد من ملاعب كرة القدم وتتكلف حوالي مليار دولار للبناء والصيانة.
يعتقد العديد من العلماء أن الحل البديل يكمن في الجزيء الذي يحتوي على معلوماتنا الجينية: الحمض النووي ، والذي تطور لتخزين كميات هائلة من المعلومات بكثافة عالية جدًا. يقول مارك باثي ، أستاذ الهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن كوب قهوة مليء بالحمض النووي يمكنه نظريًا تخزين جميع بيانات العالم.
يقول باثي ، وهو أيضًا عضو مشارك في معهد برود في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهارفارد: "نحن بحاجة إلى حلول جديدة لتخزين هذه الكميات الهائلة من البيانات التي يقوم العالم بتجميعها ، وخاصة البيانات الأرشيفية". "الحمض النووي أكثر كثافة بألف مرة من ذاكرة الفلاش ، وخاصية أخرى مثيرة للاهتمام هي أنه بمجرد أن تصنع بوليمر الحمض النووي ، فإنه لا يستهلك أي طاقة. يمكنك كتابة الحمض النووي ثم تخزينه إلى الأبد ".
صورة من "ملفات" الحمض النووي. تحتوي كل كرة سيليكا على تسلسلات الحمض النووي التي تشفر صورة معينة ، ويكون الجزء الخارجي من الكرة مغطى بأكواد نيوكليوتيد الشريطية التي تصف محتويات الصورة. الائتمان: بإذن من الباحثين
لقد أثبت العلماء بالفعل أنه يمكنهم تشفير الصور وصفحات النص على أنها DNA. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة أيضًا إلى طريقة سهلة لانتقاء الملف المطلوب من خليط من قطع عديدة من الحمض النووي. أظهر باثي وزملاؤه الآن طريقة واحدة للقيام بذلك ، من خلال تغليف كل ملف بيانات في جسيم من السيليكا سعته 6 ميكرومتر ، والذي تم تمييزه بتسلسلات قصيرة من الحمض النووي تكشف عن المحتويات.
باستخدام هذا النهج ، أظهر الباحثون أنه يمكنهم بدقة سحب الصور الفردية المخزنة كتسلسلات الحمض النووي من مجموعة من 20 صورة. بالنظر إلى عدد الملصقات المحتملة التي يمكن استخدامها ، يمكن أن يصل هذا الأسلوب إلى 1020 الملفات.
باثي هو المؤلف الرئيسي للدراسة ، التي تظهر اليوم في مواد الطبيعة. المؤلفون الرئيسيون لهذه الورقة هم جيمس بانال ، باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، تايسون شيبرد ، زميل أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وجوزيف بيرليانت ، طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
تخزين مستقر
تقوم أنظمة التخزين الرقمية بترميز النص أو الصور أو أي نوع آخر من المعلومات على شكل سلسلة من 0 و 1. يمكن تشفير هذه المعلومات نفسها في الحمض النووي باستخدام النيوكليوتيدات الأربعة التي تشكل الشفرة الجينية: A و T و G و C. على سبيل المثال ، يمكن استخدام G و C لتمثيل 0 بينما يمثل A و T 1.
يحتوي الحمض النووي على العديد من الميزات الأخرى التي تجعله مرغوبًا كوسيط تخزين: إنه مستقر للغاية ، ومن السهل إلى حد ما (ولكنه مكلف) التركيب والتسلسل. أيضًا ، بسبب كثافته العالية - كل نوكليوتيد ، أي ما يعادل بتتين ، يساوي حوالي 1 نانومتر مكعب - إكسابايت من البيانات المخزنة على شكل حمض نووي يمكن وضعها في راحة يدك.
قام الباحثون بتخزين صور مثل هذه ، مصورة ، في الحمض النووي. الائتمان: بإذن من الباحثين
تتمثل إحدى العقبات التي تعترض هذا النوع من تخزين البيانات في تكلفة تصنيع مثل هذه الكميات الكبيرة من الحمض النووي. في الوقت الحالي ، تبلغ تكلفة كتابة بيتابايت واحد من البيانات (مليون جيجابايت) تريليون دولار. لكي تصبح منافسًا للشريط المغناطيسي ، والذي غالبًا ما يستخدم لتخزين البيانات الأرشيفية ، يقدر باثي أن تكلفة تخليق الحمض النووي ستحتاج إلى الانخفاض بنحو ستة أوامر من حيث الحجم. يقول باثي إنه يتوقع أن يحدث ذلك في غضون عقد أو عقدين ، على غرار الطريقة التي انخفضت بها تكلفة تخزين المعلومات على محركات أقراص فلاش بشكل كبير خلال العقدين الماضيين.
بصرف النظر عن التكلفة ، فإن العقبة الرئيسية الأخرى في استخدام الحمض النووي لتخزين البيانات هي صعوبة انتقاء الملف الذي تريده من جميع الملفات الأخرى.
"بافتراض أن تقنيات كتابة الحمض النووي وصلت إلى نقطة حيث يكون من المفيد من حيث التكلفة كتابة إكسابايت أو زيتابايت من البيانات في الحمض النووي ، فماذا إذن؟ ستحصل على كومة من الحمض النووي ، وهي عبارة عن ملفات جازليون ، وصور أو أفلام وأشياء أخرى ، وتحتاج إلى العثور على الصورة أو الفيلم الذي تبحث عنه ، "يقول باثي. "إنها مثل محاولة العثور على إبرة في كومة قش."
حاليًا ، يتم استرداد ملفات الحمض النووي بشكل تقليدي باستخدام PCR (تفاعل البلمرة المتسلسل). يتضمن كل ملف بيانات DNA تسلسلاً يرتبط ببادئ PCR معين. لسحب ملف معين ، يتم إضافة هذا التمهيدي إلى العينة للعثور على التسلسل المطلوب وتضخيمه. ومع ذلك ، فإن أحد العوائق في هذا النهج هو أنه يمكن أن يكون هناك حديث متبادل بين التمهيدي وتسلسل الحمض النووي خارج الهدف ، مما يؤدي إلى سحب الملفات غير المرغوب فيها. أيضًا ، تتطلب عملية استرجاع تفاعل البوليميراز المتسلسل إنزيمات وينتهي الأمر باستهلاك معظم الحمض النووي الموجود في البركة.
يقول باثي: "إنك نوعًا ما تحرق كومة القش للعثور على الإبرة ، لأن كل الحمض النووي الآخر لا يتم تضخيمه وأنت تقوم برميها بعيدًا".
استرجاع الملف
كنهج بديل ، طور فريق MIT تقنية استرجاع جديدة تتضمن تغليف كل ملف DNA في جسيم سيليكا صغير. يتم تمييز كل كبسولة بـ "رموز شريطية" للحمض النووي أحادية السلسلة والتي تتوافق مع محتويات الملف. لإثبات هذا النهج بطريقة فعالة من حيث التكلفة ، قام الباحثون بترميز 20 صورة مختلفة إلى قطع من الحمض النووي يبلغ طولها حوالي 3,000 نيوكليوتيد ، وهو ما يعادل حوالي 100 بايت. (أظهروا أيضًا أن الكبسولات يمكن أن تلائم ملفات الحمض النووي التي يصل حجمها إلى غيغابايت).
تم تصنيف كل ملف باستخدام رموز شريطية مقابلة لتسميات مثل "قطة" أو "طائرة". عندما يريد الباحثون سحب صورة معينة ، فإنهم يزيلون عينة من الحمض النووي ويضيفون مواد أولية تتوافق مع الملصقات التي يبحثون عنها - على سبيل المثال ، "قطة" و "برتقالي" و "برية" لصورة نمر ، أو "قطة" ، "برتقالية" ، و "منزلية" للقطط.
يتم تمييز المواد الأولية بجزيئات فلورية أو مغناطيسية ، مما يجعل من السهل سحبها وتحديد أي تطابق من العينة. يسمح ذلك بإزالة الملف المطلوب مع ترك باقي الحمض النووي سليمًا لإعادته إلى التخزين. تسمح عملية الاسترجاع الخاصة بهم ببيانات المنطق المنطقي مثل "الرئيس AND 18th قرن "لتوليد جورج واشنطن نتيجة لذلك ، على غرار ما يتم استرداده مع صورة Google ..
"في الوضع الحالي لإثبات المفهوم لدينا ، نحن في معدل بحث يبلغ 1 كيلوبايت في الثانية. يتم تحديد معدل البحث في نظام الملفات لدينا من خلال حجم البيانات لكل كبسولة ، والذي يقتصر حاليًا على التكلفة الباهظة لكتابة حتى 100 ميغا بايت من البيانات على الحمض النووي ، وعدد الفرز التي يمكننا استخدامها بالتوازي. إذا أصبح تخليق الحمض النووي رخيصًا بدرجة كافية ، فسنكون قادرين على تعظيم حجم البيانات التي يمكننا تخزينها لكل ملف من خلال نهجنا "، كما يقول بانال.
بالنسبة للرموز الشريطية الخاصة بهم ، استخدم الباحثون تسلسل الحمض النووي أحادي السلسلة من مكتبة تضم 100,000 تسلسل ، يبلغ طول كل منها حوالي 25 نيوكليوتيد ، طورها ستيفن إليج ، أستاذ علم الوراثة والطب في كلية الطب بجامعة هارفارد. إذا وضعت اثنتين من هذه التسميات في كل ملف ، فيمكنك تسمية 10 بشكل فريد10 (10 مليارات) ملف مختلف ، ومع وجود أربعة تسميات على كل منها ، يمكنك تصنيف 10 بشكل فريد20 الملفات.
يصف جورج تشيرش ، أستاذ علم الوراثة في كلية الطب بجامعة هارفارد ، هذه التقنية بأنها "قفزة عملاقة في إدارة المعرفة وتكنولوجيا البحث".
"إن التقدم السريع في الكتابة والنسخ والقراءة وتخزين البيانات الأرشيفية منخفضة الطاقة في شكل DNA قد ترك فرصًا غير مكتشفة لاسترداد دقيق لملفات البيانات من ضخمة (1021 byte، zetta-scale) "، كما يقول تشيرش ، الذي لم يشارك في الدراسة. "الدراسة الجديدة تتناول هذا بشكل مذهل باستخدام طبقة خارجية مستقلة تمامًا من الحمض النووي والاستفادة من الخصائص المختلفة للحمض النووي (التهجين بدلاً من التسلسل) ، علاوة على ذلك ، باستخدام الأدوات والكيمياء الموجودة."
يتصور باثي أن هذا النوع من تغليف الحمض النووي يمكن أن يكون مفيدًا لتخزين البيانات "الباردة" ، أي البيانات التي يتم الاحتفاظ بها في أرشيف ولا يتم الوصول إليها كثيرًا. يقوم مختبره بتدوير شركة ناشئة ، Cache DNA ، التي تعمل الآن على تطوير تقنية لتخزين الحمض النووي على المدى الطويل ، سواء لتخزين بيانات الحمض النووي على المدى الطويل ، أو العينات السريرية وغيرها من عينات الحمض النووي الموجودة مسبقًا على المدى القريب.
"بينما قد يستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يصبح الحمض النووي قابلاً للتطبيق كوسيط لتخزين البيانات ، إلا أن هناك بالفعل حاجة ملحة اليوم لحلول تخزين ضخمة منخفضة التكلفة لعينات الحمض النووي والحمض النووي الريبي الموجودة مسبقًا من اختبار Covid-19 والتسلسل الجيني البشري وغير ذلك مجالات علم الجينوم ، "يقول باتي.
المرجع: "ذاكرة الوصول العشوائي للحمض النووي باستخدام البحث المنطقي في نظام تخزين ملفات أرشيفية" بقلم جيمس إل بانال ، وتايسون آر شيبرد ، وجوزيف بيرلينت ، وهيلين هوانغ ، وميغيل رييس ، وشيري إم أكرمان ، وبول سي بلايني ، ومارك باتي ، 10 يونيو 2021, مواد الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41563-021-01021-3
تم تمويل البحث من قبل مكتب الأبحاث البحرية والمؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب أبحاث الجيش الأمريكي.
