ذخیره‌سازی اطلاعات در بستر DNA اشیا

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ با توجه به گسترش روزافزون حجم داده‌های دیجیتالی، دانشمندان معتقدند سامانه‌های فعلی توانایی پاسخگویی به تقاضاها را ندارند. به همین دلیل در تلاش هستند سامانه‌های ذخیره‌سازی جدید بر پایه DNA ایجاد کنند.

هر موجود زنده‌ای دارای DNA است و هر DNA اطلاعات کدگذاری شده‌ی مخصوص به خود را دارد. گروهی از دانشمندان موسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) و اسرائیل به تازگی روشی را توسعه داده‌اند که اشیا بی‌جان نیز به DNA تجهیز می‌شوند.

عده‌ای از پژوهشگران با انتشار گزارشی توضیح دادند که چگونه موفق شدند با استفاده از چاپگری سه‌بعدی، یک مجسمه خرگوش به وجود آورند که حاوی توالی DNA کدگذاری شده است. این رشته‌ها در خود دستورالعمل‌های دیجیتالی را ذخیره کرده بودند. این مسئله نشان می‌دهد در آینده، افراد می‌توانند در داخل هر جسم بی‌جانی، رشته‌های DNA رمزنگاری شده را ذخیره کنند یا حتی نمونه‌های 3 بعدی از یک را به صورت گسترده تولید نمایند.

تحقیقات یاد شده نشان می‌دهد چگونه می‌توان داده‌های دیجیتالی را در قالب رشته‌های DNA ذخیره کرده و به هر شکل دلخواهی تولید کرد. یک فناوری که احتمالاً از آن به عنوان DNA اشیا (DOT یا DNA of Thing) یاد خواهد شد.

درو اندی (Drew Endy)، شخصی که در تحقیقات بالا نقش نداشته و استاد مهندسی زیستی استنفورد گفت:

اقدام یاد شده از دیدگاه فرهنگی بسیار جالب است. یک هنجار اجتماعی را تصور کنید که در آن هر شی‌ء باید دستورالعمل‌های ساخت خود را در داخلش به صورت رمزنگاری شده داشته باشد. با توجه به چگالی باورنکردنی ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA می‌توان حجم گسترده‌ای از داده‌ها را در شکل‌های مختلف روی آن ذخیره کرده و برای نسل‌های آینده به منظور بازسازی تمدن (در صورت نابودی) نگهداری کرد.

محققان در گزارش یاد شده نوشته‌اند، آن‌ها قصد دارند کدهای DNA را در اشیا با اهمیتی مانند ایمپلنت‌های پزشکی، مصالح ساختمانی، قطعات الکتریکی، لوازم خودرو و بسیاری موارد دیگر که جایگزینی آن‌ها بسیار مشکل است، رمزنگاری کنند.

یانیو ارلیچ (Yaniv Erlich)، دانشمند رایانه اسرائیلی و دانشمند ارشد شرکت «MyHeritage» توضیح داد:

تصور کنید که سپر خودرو آسیب‌دیده و نیاز به تعمیر دارد. اگر من بتواند DNA جایگذاری شده داخل آن را استخراج کرده و بخوانم، نحوه تعمیر و مواد موردنیاز را در اختیار خواهم داشت. حتی شاید بتوانند به کمک داده خود یک نمونه جدید از آن را چاپ کنم.

دقیقاً مشابه ترکیب صفر و یک در کدهای دیجیتالی، رشته‌های DNA از ترکیب 4 ساختار شیمیایی «A,T,G,C» به وجود می‌آیند. داده‌ها را می‌توان از باینری به نمونه قابل‌قبول برای DNA تبدیل کرد. از طرفی تراکم اطلاعات ذخیره شده در DNA بسیار بیشتر بوده و بر اساس تحقیقات گروهی از پژوهشگران در هر نوکلئوتید از آن می‌توان بیش از 300 ترابایت داده ذخیره کرد. به علاوه این بستر ذخیره‌سازی از ماندگاری بالایی برخوردار بوده و می‌تواند صدها یا هزاران سال داده‌ها را در خود نگه دارد.

اریچ ادامه داد:

اگر شما به هر نوع دیگری از فناوری‌های ذخیره‌سازی فکر کنید، فرقی نمی‌کند نوار مغناطیسی، دیسک سخت یا سی دی را در نظر بگیرد، همه‌ی آن‌ها دارای یک هندسه خاص هستند. یک دیسک، دیسک است. یک دیسک سخت نیز بسیار سخت است. این ویژگی‌ها برای عملکرد آن‌ها ضروری هستند. در مقابل DNA تنها فناوری ذخیره‌سازی داده‌ها است که برای به وجود آوردن آن نیازی به تعریف یک هندسه خاص در مقیاس‌های مختلفی مانند میکروسکوپی نیست.

محققان به منظور تولید خرگوش یاد شده، دستورالعمل‌های موجود در یک فایل 45 کیلوبایتی استریو لیتوگرافی (.STL) را با استفاده از چاپگر 3 بعدی، به یک کد 4 رقمی دیجیتالی تبدیل و DNA مورد نظر را سنتز کردند. سپس DNA را به رشته‌های کوتاهی به نام «اولیگونوکلئوتید» (oligonucleotides) تقسیم کرده و در نانو ذرات سیلیس یا سیلیکون دی‌اکسید (silica) قرار دادند. سپس این نانو ذرات را با مواد پلی‌استر ترموپلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر مخلوط کردند. در نهایت یک رشته چاپ شده 3 بعدی حاوی DNA به وجود آمد.

محققان پس از چاپ خرگوش یاد شده، بخش کوچکی از گوش آن را جدا کردند. اریچ افزود:

تنها بخش بسیار کوچکی لازم بود. رشته DNA پراکنده شده؛ اما در همه‌جا حضور دارد.

پژوهشگران توانستند با استفاده از یک توالی سنج قابل‌حمل، رشته DNA را جدا کرده، مجدداً به قالب فایل .STL در آورند. یک دستورالعمل دیجیتالی که برای چاپ مجدد این مجسمه به کار می‌رود.

به طور کلی محققان توانستند 5 نمونه خرگوش را ایجاد کنند که هرکدام آن‌ها تنها با استفاده از یک قطعه‌ی بسیار کوچک بریده شده از نمونه قبلی به وجود آمده و دستور کلون سازی روی آن قرار داشت. در هر نسل جامعیت داده‌ها درصد بسیار کمی تخریب می‌شد. تقریباً در هر نوبت 6 درصد از اولیگونوکلئوتید نسل اول از دست می‌رفت. در نتیجه پس از 5 نوبت کلون سازی بیش از 20 درصد اطلاعات از بین رفته بود.

ارلیچ اظهار کرد، نرم‌افزار رمزگشایی آن‌ها با نام «DNA Fountain»، اجازه می‌داد تا با از دست دادن بیش از 80 درصد از داده‌های DNA، هنوز هم بتوان فایل .STL را بازیابی کرد. در واقع الگوریتم این برنامه به مانند بازی سودوکو جاهای خالی را با اطلاعات مناسب پر می‌کند.

پژوهشگران اشاره کردند، تقریباً هرگونه اطلاعات دیجیتالی را می‌توان در DNA ذخیره‌سازی کرد. برای آزمایش مقیاس‌پذیری این مفهوم آن‌ها یک فیلم 1.4 مگابایتی را در DNA و سپس روی لنزهایی از جنس «plexiglass» ذخیره کردند. این فرآیند کاملاً مشابه با ذخیره‌سازی، ایجاد و بازیابی داده‌ها از روی مجسمه خرگوش انجام گرفت و موفقیت‌آمیز بود.

ارلیچ معتقد است به کمک فناوری یاد شده کاربر می‌تواند داده‌های خصوصی یا بسیار محرمانه را در انواع مختلفی از اشیا پنهان ساخته از آن نگهداری کند یا برای مخاطب خود ارسال نماید. از طرفی امکان استفاده از این فناوری به منظور ایجاد ارتشی از روبات‌های خود تکرار شونده نیز وجود دارد.