تحتاج الى بعض التخزين اضافية؟ حاول الحمض النووي

لقد نجح المهندسون في دفع مساحة تخزين أكبر إلى مساحات أصغر لعقود من الزمن ، لكن ذلك لا يمكن أن يستمر إلى الأبد. يمكن أن تأخذ القفزة الكبيرة التالية في تخزين البيانات شكل الحمض النووي داخل كل المواد العضوية: يقوم العلماء في المختبرات في جميع أنحاء البلاد بتجربة الحمض النووي التخليقي كوسيلة تخزين.

يقول لويس هنريك Ceze ، أستاذ مشارك في علوم الكمبيوتر: "إذا نظرت إلى أين تتجه الإلكترونيات ، وتكنولوجيا السيليكون ، والكثير من التكنولوجيا الأساسية التي نستخدمها لبناء أجهزة الكمبيوتر اليوم ، فإننا نقترب من الحد الأقصى في جميعها تقريبًا". والهندسة في جامعة واشنطن. "الحمض النووي كثيف للغاية ، شديد التحمل ، ولا يحتاج إلى الكثير من القوة للحفاظ عليه ، لذلك هناك ميزة كبيرة لاستخدام الحمض النووي لتخزين البيانات."

يعمل Ceze مع Karin Strauss ، باحثة هندسة الكمبيوتر في Microsoft Research ، في تعاون بين المؤسستين - وهو مشروع يربط بين علوم الكمبيوتر وعلم الأحياء. بالنسبة لفريق مكون من حوالي 20 شخصًا ، توفر الجامعة علماء البيولوجيا الجزيئية ، وتوفر Microsoft علماء الكمبيوتر.

لفهم كيف يمكن استخدام الحمض النووي للتخزين ، ضع في اعتبارك أن جميع بيانات الكمبيوتر ثنائية أو القاعدة 2. الحمض النووي هو الأساس 4 ، ويتألف من الأدينين ، والسيتوزين ، والجوانين ، والثيمين (يختصر باسم A ، C ، G ، و T). تتمثل الخطوة الأولى في تحويل معلومات base-2 إلى base-4 ، لذلك يتوافق A مع 00 و C إلى 01 و G إلى 10 و T إلى 11 (مما يبسطها قليلاً ولكنه يتداخل مع الفكرة).

ثم يستخدم العلماء جهازًا يدعى توليف الحمض النووي (DNA) لتجميع المواد الكيميائية الأربعة بالترتيب الصحيح. النتيجة تخزن المعلومات عدة مرات على شكل كتلة تشبه الملح أصغر من طرف القلم الرصاص. قراءة تلك المعلومات مرة أخرى تتطلب تسلسل الحمض النووي.

في حين أن هذا قد يبدو هشًا - مثل شيء قد ينفجر عندما يفتح الباب فجأة - إلا أن الحمض النووي هو أقوى وسيلة لتخزين البيانات التي رأيناها. لقد قرأ العلماء بنجاح الحمض النووي الذي يبلغ عمره مئات الآلاف من السنين.

ينطوي تسلسل الحمض النووي على إزالة جزء صغير من المادة المخزنة ، وتستنزف العملية تلك العينة. وبالتالي ، يمكن قراءة تسجيل الحمض النووي عددًا محدودًا من المرات. هذه ليست مشكلة ، لأن المواد المخزنة بها الكثير من البيانات الزائدة ؛ يمكن أخذ عينات مرارا وتكرارا. تحتوي وسائط التخزين الحالية أيضًا على عدد محدود من دورات الكتابة والقراءة قبل أن تفشل ، لذلك هذا ليس بالأمر الجديد.

كما يشير Ceze ، فإن الحمض النووي لن يكون قديمًا. في حين أن الكثير منا لديه أقراص مرنة في الجزء الخلفي من الدرج لم يعد بإمكاننا قراءتها ، فإن ذلك لن يكون مصير الحمض النووي. يقول Ceze "سنهتم دائمًا بالحمض النووي DNA لعلوم الحياة ولأسباب صحية ، لذلك سيكون لديك دائمًا طريقة لقراءة المعلومات المخزنة في الحمض النووي".

في يوليو 2016 ، نجحت Microsoft وجامعة واشنطن في تشفير 200 ميجابايت من البيانات في شكل DNA ، أفضل رقم قياسي سابق قدره 22 ميغابايت. يقول شتراوس إنه باستخدام الحمض النووي ، سيكون من الممكن تخزين 1 بايت من البيانات - أي مليار جيجابايت - في مكعب بحجم 1 بوصة.

يقول شتراوس: "لقد أجرينا تقديرًا لمقدار البيانات التي يمكنك وضعها في وحدة تخزين معينة". "لقد حاولنا تقدير حجم وحدة التخزين إذا قررنا اليوم أرشفة الإنترنت بأكمله الذي يمكن الوصول إليه ، مما يعني أن كل شيء لا يقف خلف كلمة مرور أو أي نوع من الجدران الإلكترونية ، وقد توصلنا إلى حجم صندوق أحذية كبير."

هذا يبدو كأنه اقتراح بعيد المنال ، لكن Ceze يعتقد أننا سنرى أنظمة تخزين الحمض النووي التجارية في السوق خلال عقد من الزمن. لن تعمل تمامًا مثل تخزين المعالجات الدقيقة ، نظرًا لأن الحمض النووي يتطلب بيئة كيميائية رطبة من أجل الإنشاء ، ولكنه سوف يوفر سعة هائلة ووصولًا عشوائيًا بنفس السرعة التي توفرها أنظمة أشرطة المؤسسات الآن.

مجال التقدم بسرعة

كان الحمض النووي موجودًا منذ مليارات السنين ، لكن مظاهر الحمض النووي كتكنولوجيا تخزين صالحة للاستخدام بدأت في عام 1986 عندما قام الباحث بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جو ديفيس بترميز صورة ثنائية بسيطة في 28 زوجًا أساسيًا من الحمض النووي.

رائد آخر في هذا المجال هو جورج تشرش ، أستاذ علم الوراثة الذي يعمل في كلية الطب بجامعة هارفارد منذ عام 1977 ويدير مختبره الخاص منذ عام 1986. وقد اهتمت الكنيسة بخفض تكلفة قراءة وكتابة الحمض النووي منذ سبعينيات القرن الماضي ، معتقدًا أن يومًا ما سيجتمعون لإنشاء تخزين بيانات عملي. أصبح مهتمًا بالعمل على أبحاث الحمض النووي في عام 2000 وأجرى اختبارات تسلسل وتوليف مهمة في عامي 2003 و 2004. بحلول عام 2012 ، كان قادرًا على الجمع بين المنطقتين وإنشاء نظام لتشفير البيانات. لقد كتب هذا العمل في مقال مؤثر عام 2012 في العلوم .

"قبل عامي 2003 و 2004 ، تم إجراء التسلسل والتوليف بشكل أساسي في الشعيرات الدموية - أو الأنابيب الصغيرة - حيث سيكون لديك أنبوب واحد لكل تسلسل" ، تشرح تشرش. "كان يدويًا للغاية وغير قابل للتطوير. كان الدرس الذي تعلمناه من صناعة أشباه الموصلات في مجال التصنيع المصغر هو أنك في حاجة للتوصل إلى طريقة لوضعها بشكل أساسي في طائرة ثنائية الأبعاد ومن ثم تقليل حجم الميزة. كانت الأساليب المعتمدة على الأعمدة متوافقة مع ذلك ، وهكذا في عام 2003 ، أظهرنا كيف يمكنك توزيع تسلسلات على طائرة ثنائية الأبعاد ومن ثم تصويرها بالتصوير الفلوري الذي أصبح الآن الطريقة السائدة للتسلسل ، ثم في عام 2004 ، أظهرنا ذلك يمكنك تصنيع الحمض النووي على متن طائرة ثم إزالته ، وبعد ذلك يمكن أن يكون أكثر إحكاما ؛ لذلك كانت الطائرة مجرد مكان مؤقت لتوليفها ، ثم يمكنك دمجها في كائن ثلاثي الأبعاد كان ملايين المرات أكثر إحكاما من تخزين البيانات العادي.

"كان ذلك دليلًا على تمرينات المفاهيم في عامي 2003 و 2004. في عام 2012 ، قمنا نحن وآخرون بتحسين كل من أساليب القراءة والكتابة للحمض النووي ، وقمت بتجميعها في تجربة واحدة حيث قمت بتشفير كتاب كنت قد كتبته للتو في DNA ، بما في ذلك الصور ، والتي تبين أن أي شيء رقمي بشكل أساسي يمكن ترميزه باستخدام DNA."

على الرغم من أن التكلفة تشكل عقبة كبيرة أمام تخزين الحمض النووي ، تشير تشيرش إلى أن السعر انخفض بشدة في الوقت القصير الذي تم فيه إجراء البحوث. تحسنت تكلفة قراءة الحمض النووي حوالي 3 ملايين ضعف ، بينما تحسنت تكلفة الكتابة بمقدار مليار مرة. يمكن أن يرى كلاهما يتحسن بمقدار مليون مرة أخرى في وقت أقل. كما أشار إلى أن تكلفة نسخ مادة الحمض النووي خالية تقريبًا ، وكذلك تكلفة التخزين طويل الأجل. بالنسبة إلى التخزين الأرشيفية ، لا تمثل تكلفة قراءة البيانات عقبة كبيرة ، حيث لا يتم قراءة الكثير من المواد المؤرشفة أبدًا ، كما يتم قراءة بعض العناصر بشكل انتقائي. انظر إلى تكاليف النظام بأكمله ، كما ينصح. طرق التخزين التقليدية تتحرك بسرعة Moore's Law وسوف تهدأ قريباً. لكن تكنولوجيا تخزين الحمض النووي تتحرك بشكل أسرع من قانون مور ولا تظهر أي علامات على الهضبة.

تخزين المحفوظات والسحابة هو المكان الذي ترى فيه تشيرش تخزين بيانات الحمض النووي أولاً. ويشير إلى أن الشركات بما فيها IBM و Microsoft و Technicolor لديها فرق بحث وتطوير خاصة بها تدرس المنطقة. تعاون مع تكنيكولور في عام 2015 لتخزين فيلم "رحلة إلى القمر" ، وهو فيلم كلاسيكي يعود إلى عام 1902 ، كان يعتقد أنه ضائع إلى الحمض النووي. الآن لدى Technicolor العديد من نسخ الحمض النووي التي ، مجتمعة ، ليست أكبر من بقعة من الغبار.

يمتلك تشرش مختبرًا لـ 93 شخصًا يعملون على تخزين الحمض النووي ويركز حاليًا على هدفين. الأول هو تحسين سرعة كل دورة بشكل جذري. يتم تخزين المعلومات في مئات الطبقات ، كل منها سميك مثل الجزيء. تستغرق كل إضافة حاليًا ثلاث دقائق ، لكن تشيرش تشير إلى أنه يمكن تقليص حجمها إلى أقل من مللي ثانية. إنه أسرع 200000 مرة ، كما يشير ، ويعني التغيير من الكيمياء العضوية إلى الكيمياء الحيوية. يريد أيضًا تغيير كيفية تصنيع الأدوات المستخدمة في القراءة والكتابة لجعلها أصغر حجمًا. حاليا ، حجم الثلاجات الكبيرة. يريد أن خفضت.

المدمج في التكرار والحاجة إلى تصحيح الخطأ

أحد الباحثين الذين تأثروا بمقال ساينس للعلوم لعام 2012 هو الأستاذ أولجيكا ميلينكوفيتش من جامعة إلينوي ، أوربانا شامبين. ذكرت المقالة الحاجة إلى الترميز ، الأمر الذي أثار اهتمامها على الفور. الترميز في أبحاث التخزين هو تقنية لإضافة التكرار إلى البيانات ، التكرار الذي يمكن استخدامه لاحقًا لتصحيح الأخطاء التي تحدث أثناء عملية القراءة والكتابة. للحصول على مثال عن سبب أهمية ذلك ، راجع صورتي Citizen Kane هنا. تم تشفير كلاهما في الحمض النووي بواسطة فريق Milenkovic ثم قراءته. تخمين أي واحد يستخدم التكرار.

أنت على صواب: تم ​​تشفير الصورة اليسرى بتكرار ، وكانت الصورة اليمنى غير مشفرة.

هناك طريقة بسيطة لإضافة التكرار وهي تكرار كل حرف لعدد محدد من المرات. بدلاً من كتابة 0 ، اكتبها أربع مرات. هذا هو نهج القوة الغاشمة - بسيطة ولكنها غير فعالة بشكل رهيب. يتمثل عمل ميلينكوفيتش في تحقيق نفس تصحيح الأخطاء بطريقة أكثر تطوراً. وهو يتضمن تقنيات تسمى اختبارات التكافؤ أو اختبارات التطابق الخطي لتوفير طرق للتحقق من البيانات.

يقول ميلينكوفيتش: "إن المجال برمته يتعلق بالأساس بمساعدتك على تصحيح الأخطاء إذا ظهرت ، أو حتى تجنب الأخطاء التي تعرف أنها من المرجح أن تظهر". "نحن نقدم التكرار المتحكم فيه للتخلص من الأخطاء ، وهذا التكرار المتحكم فيه ليس في شكل تكرار بسيط ، لأن هذا غير فعال للغاية."

هذا ما جلب ميلينكوفيتش إلى الميدان ، لكن بحثها الآن يدور حول خفض التكلفة الهائلة لتوليف الحمض النووي.

"طالبتي ، H. Tabatabae Yazdi ، الذي كان ناشطًا جدًا في هذا الموضوع ، ولقد كنت أحاول جاهداً التوصل إلى طريقة ذكية لتجنب توليف الحمض النووي. إن توليف الحمض النووي يمثل عنق الزجاجة على الإطلاق لهذه التكنولوجيا بسبب التكلفة العالية يقول ميلينكوفيتش.

على الرغم من أن ميلينكوفيتش حريصة على الكشف عن الكثير حول الأبحاث غير المنشورة ، فإن حلها ينطوي على "مناهج رياضية ماكرة" وكل شيء يتعلق بالتوقيت ، حيث يكون حجم الفاصل الزمني بين أجزاء المعلومات ذا معنى.

"إذا استغنت عن الإجراءات الشكلية التي ترغب في استخدامها ATGCs لتشفير الرموز الثنائية في موقع معين ، فيمكنك التوصل إلى وسائل أكثر ذكاءً وأكثر فاعلية لتخزين المعلومات ، لأنك لست بحاجة إلى توليف الخيوط مرارًا وتكرارًا مرة أخرى ، "يشرح ميلينكوفيتش. "يمكنك توليفها مرة واحدة بطريقة معينة ثم إعادة استخدام هذا الحمض النووي المركب بطريقة اندماجية ذكية."

من خلال عملها ، تأمل ميلينكوفيتش في خفض تكلفة تركيب الحمض النووي بثلاثة أوامر على الأقل. إنها لا تزال غير كافية ، كما تلاحظ ، لكنها تقدم. إنها تسهم أيضًا في سلسلة من الأبحاث التي تجدها رائعة.

يقول ميلينكوفيتش: "من المثير للغاية ، أن نكون صادقين ، أن نلعب الله ونشف معلوماتك في الحمض النووي". "إنه يمنح الشخص شعورًا بالإثارة ليعرف أنك تلعب بجزيء مختار من الطبيعة وجعله يفعل ما تريد تخزينه وترميزه ونقل المعلومات إلى المستقبل."

صرف في أي يوم الآن

انها ليست كل البحوث الأكاديمية المتربة الجافة مع تخزين الحمض النووي. شركة Helixworks ، وهي شركة مقرها في أيرلندا ، تحاول جني الأموال بالفعل. إنه يحتوي على منتج على Amazon - نوعا ما.

يوضح نيمش بيننامانيني ، أحد مؤسسي الشركة: "أطلقنا على Amazon بحيث يمكن الحصول على 512 كيلوبايت من البيانات الرقمية المشفرة في الحمض النووي". "إنه شيء صغير جدًا. ربما صورة أو قصيدة ، شيء من هذا القبيل."

إنها عملية شراء غير عادية ، ولكنها قد تكون رمز الحب المثالي للشخص الذي لديه كل شيء ، خاصةً إذا كان هذا الشخص عالمًا:

يتذكر بيننامانيني: "أتذكر أحد العملاء الذين اتصلوا بنا. لقد أراد أن يقدم هدية لزوجته - وكلاهما من أخصائيي التكنولوجيا الحيوية - أراد أن يقدم هدية لزوجته في ذكرى زواجهما. أراد أن يضع رسالة في الحمض النووي وأن يقدم لها الحمض النووي". "سيكون عليها أن تسلسل الحمض النووي لقراءة الرسالة. إنها طريقة معقدة إلى حد ما لإرسال رسالة حب ، ولكن ربما يكون لطيفًا لعلماء التكنولوجيا الحيوية ، هل تعلم؟"

ولكن حصلت Helixworks على نفسها قليلاً في نشر منتجاتها على Amazon في أغسطس 2016 ، قبل أن تكون جاهزة لتنفيذ الطلبات. اشترى شخصان الشركة DNADrive بقيمة 199 دولارًا - وهي كبسولة ذهبية 14 قيراطًا تحتوي على مجموعة من الحمض النووي داخلها - قبل إجبار Helixworks على حذف منتجها. لا يزال DNADrive موجودًا على Amazon ، ولكنه غير قابل للشراء.

هذا لا يعني أن Helixworks قد انتهى ، بل حريصة جدًا. لقد حان بعيدًا جدًا للتوقف الآن. بدأت الشركة في جامعة بوراس في السويد ، حيث حصل بينامانيني (في الصورة أعلاه ، اليسار) وساشين تشالاباتي (يمين) ، أحد مؤسسي الشركة الآخرين ، على درجة الماجستير في التكنولوجيا الحيوية. لقد جمعوا أموالًا لأبحاث تخزين الحمض النووي ، وواصلوا عملهم بمجرد العودة إلى وطنهم في بنغالور ، الهند ، وطوروا دليلًا على المفهوم.

أدى الحصول على أموال إضافية إلى برنامج تسريع IndieBio الذي تديره شركة SOSV ، وهي شركة لرؤوس أموال المشاريع الناشئة في سان فرانسيسكو ، كاليفورنيا. تم اختيار Helixworks من قبل البرنامج وفاز بمبلغ 50،000 دولار نقدًا والقدرة على العمل من أحد المعامل في County Cork ، حيث كان موجودًا خلال الأشهر الستة الماضية. يشتمل البرنامج على توجيه بشأن الترويج لمنتج ، والذي ستستخدمه Helixworks في مهرجان South by South لهذا العام ، حيث ستنافس في حدث في الملعب.

في حين أن التخلص من كبسولات الحمض النووي الذهبية قد يكون في نهاية المطاف هامشًا مربحًا ، يقول بينامانيني إن مستقبل شركته في طابعات الدنا المدمجة في المنازل والمكاتب التي تطورها الآن. إنه يريد أن يجعل تخزين الحمض النووي سهلاً وبأسعار معقولة بما يكفي لأي شخص للاستخدام.

"اكتشفنا أنك تحتاج إلى شيء يعمل مثل خرطوشة في طابعة" ، يوضح بينناميني. "لديك أربعة ألوان فقط ، ويمكن الجمع بين هذه الألوان الأربعة لتشكيل أي لون ممكن ، أليس كذلك؟ هذه هي الطريقة التي تعمل بها طابعة الحبر. لقد اكتشفنا أننا نحتاج إلى الحصول على شيء مثل هذا في نظامنا. لقد صممنا خرطوشة مكونة من 32 من الكواشف التي يمكن دمجها لتشكيل أي تسلسل الحمض النووي ممكن."

بينما تدفع المعامل الأخرى حوالي 30،000 دولار في كل مرة تحتاج فيها إلى تصنيع الحمض النووي ، وهي عملية تستغرق أسابيع لإنجازها ، يقول بينامانيني إن اختراعه يمكن أن يخفض التكلفة والوقت بشكل كبير. تعمل Helixworks مع Opentrons ، وهي الشركة التي تصنع معدات المختبرات الآلية ، لإنشاء الطابعة. هذا ما سوف تبثه في SXSW.

يقول بينناميني: "ما سنظهره على أرض المعرض هو كتابة الحمض النووي أمام عينيك".

الشركة لن تتخذ أي أوامر حتى الآن. وهذا أمر جيد ، لأن هذا التكنولوجيا الحيوية الرومانسية لا يزال ينتظر هدية عيد ميلاده.