پژوهشگران در شنژن چین، یک «کاست» ساختهاند که دادههای دیجیتال را به صورت رشتههای DNA روی یک نوار پلاستیکی نازک ذخیره میکند. یک نمونه اولیه قادر است ۳۶ پتابایت اطلاعات را نگه دارد، که معادل حدود یک میلیون گیگابایت است و میتواند بیش از سه میلیارد آهنگ را در خود جای دهد.
چگونگی تبدیل دادهها به DNA
در این سیستم، فایلهای دیجیتال به رشتههایی از حروف A، T، C و G تبدیل میشوند، چهار حرف DNA که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره میکنند. این رشتهها جایگزین صفر و یکهای کامپیوتری میشوند.
تیم پژوهشی، رشتههای کوتاه DNA مصنوعی را به صورت نقاط ریز روی فیلم پلاستیکی انعطافپذیر چاپ میکند. سپس این فیلم بریده و رول میشود تا یک نوار باریک ایجاد شود که بتواند بین قرقرهها بهراحتی حرکت کند.
این پروژه به سرپرستی ژانگ ژینگیوی، مهندس زیستپزشکی در دانشگاه علوم و فناوری جنوبی (SUST) در شنژن انجام شد. تحقیقات او بر ساخت دستگاههای مبتنی بر DNA متمرکز است که میتوانند اطلاعات ذخیره کنند و وظایف مولکولی مفید انجام دهند.
هماهنگی با ابزارهای آزمایشگاهی
هدف گروه این بود که کاست با دستگاههای DNA که آزمایشگاهها از قبل استفاده میکنند، سازگار باشد. بنابراین طراحی نوار به گونهای بود که ابزارهای استاندارد نوشتن DNA و ابزارهای توالییابی بتوانند با هر بخش آن به نوبت تعامل داشته باشند.
ذخیره دادهها روی DNA
در طول نوار، بلوکهای فضای سفید محل جذب محلول DNA هستند. نوارهای سیاه با جوهر آبگریز از پخش شدن محلول جلوگیری میکنند.
هر بلوک سفید یک بخش مجزا از DNA را نگه میدارد، که یک بخش کوچک جداگانه برای ذخیرهسازی ایجاد میکند.
در یک نوار کمی بیش از نیم مایل طول، پژوهشگران تخمین زدهاند که حدود ۵۵۰,۰۰۰ جایگاه فایل وجود دارد.
یک اسکنر نوری کوچک بارکدها را هنگام چرخش نوار توسط موتورها مشاهده میکند و به محض ظاهر شدن الگو، بخش مناسب را انتخاب میکند.
در آزمایشها، سیستم توانست حدود ۱,۵۷۰ موقعیت مختلف فایل را در هر ثانیه روی نوار متحرک شناسایی کند.
مزایای ذخیرهسازی دادهها در DNA
حجم دادههای دیجیتال جهان به سرعت در حال رشد است، زیرا مردم بیشتر محتوا استریم میکنند، آنلاین خرید میکنند، و دستگاهها به اینترنت متصل میشوند.
یک تحلیل صنعتی پیشبینی میکند که حجم کل دادههای ذخیره شده ممکن است تا اواسط دهه ۲۰۲۰ به حدود ۱۷۵ تریلیون گیگابایت برسد.
نگهداری تمام این اطلاعات آنلاین مصرف برق زیادی دارد و به مراکز داده بزرگ و ساختمانهای پر از سرور نیاز دارد که شبانهروز فعال هستند.
یک گزارش اخیر وزارت انرژی آمریکا نشان میدهد که مراکز داده حدود ۴.۴ درصد از برق این کشور را مصرف میکنند.
DNA به عنوان یک ماده، از نظر تئوری میتواند حجم عظیمی از دادهها را در یک جرم کوچک ذخیره کند. تیم کاست اشاره میکند که یک گرم DNA میتواند حدود ۴۵۵ اگزابایت، یعنی تقریباً یک میلیارد گیگابایت، اطلاعات ذخیره کند.
مطالعات روی استخوانهای باستانی نشان میدهد که رشتههای DNA در طول قرنها به آرامی تخریب میشوند. از این اندازهگیریها، پژوهشگران عمر نیمه DNA، یعنی زمانی که نیمی از مولکولها تخریب میشوند، را حدود ۵۲۱ سال در نمونههای دفن شده تخمین زدهاند.
خواندن و بازنویسی کاست
درون درایو، قرقرهها و موتورها نوار را حرکت میدهند در حالی که یک کنترلکننده کوچک محل هر فایل را پیگیری میکند. وقتی یک فایل انتخاب میشود، دستگاه بخش مناسب را به یک محفظه واکنش کوچک پر از محلول میبرد.
یک پایه شیمیایی ملایم یک رشته از DNA دو رشتهای را از نوار جدا کرده و به محلول میبرد. سپس این رشته آزاد توسط توالییابی DNA خوانده میشود، فرآیندی که ترتیب حروف DNA را تک به تک مشخص میکند.
چون یک رشته روی نوار باقی میماند، سیستم میتواند از آن به عنوان قالب برای بازسازی DNA دو رشتهای بعد از هر خواندن استفاده کند.
در آزمایشها، تیم پژوهشی توانست همان فایل را ده بار از یک قطعه کوچک بازیابی کند بدون اینکه توانایی رمزگشایی آن از بین برود.
برای پاک کردن دادهها، یک آنزیم DNA متصل را در محل مشخصی برش میدهد تا رشته جدا شده و شسته شود. دسته خالی سپس میتواند رشته DNA جدیدی را ذخیره کند و آزمایشها نشان داد که حدود ۹۹.۹ درصد اطلاعات اصلی جایگزین شد.
محافظت از DNA برای قرنها
برای ایمن نگه داشتن DNA، پژوهشگران بخشها را با پوستهای کریستالی از چارچوب فلزی-آلی پوشاندند که از ورود آب و آنزیمها جلوگیری میکند.
مطالعات قبلی نشان دادهاند که DNA مهر و موم شده در مواد مبتنی بر سیلیکا میتواند اطلاعات دیجیتال را حتی در دماهای بالا برای قرنها حفظ کند.
با گرم کردن نوارهای پوششداده شده برای هفتهها و بررسی آسیبها، تیم تخمین زد که DNA میتواند بیش از سه قرن در دمای اتاق باقی بماند.
آنها همچنین محاسبه کردند که در محیطهای سردتر، مانند ارتفاعات کوهستانی، DNA ممکن است برای دهها هزار سال قابل خواندن باقی بماند.
DNA، ذخیرهسازی دادهها و آینده
با وجود ظرفیت عظیم، کاست در مقایسه با دستگاههای ذخیرهسازی معمولی بسیار کند است. در نمایش اولیه، کپی کردن دادهها به و از نوار برای یک فایل تنها چند صد کیلوبایتی دهها دقیقه طول کشید.
سنتز مجموعههای بزرگ رشتههای DNA هنوز هزینهبر است، و بسیاری از دستگاههای توالییابی ابزارهای بزرگی هستند که در آزمایشگاههای تخصصی قرار دارند.
پژوهشگران امیدوارند که با کاهش هزینههای بیوتکنولوژی و ظهور شیمی سریعتر، ذخیرهسازی DNA به سبک کاست به یک روش عملی برای آرشیو دادهها تبدیل شود.
در حال حاضر، کاست DNA نمونهای آزمایشگاهی دقیق است که نشان میدهد چگونه ذخیرهسازی مولکولی ممکن است روزی حجم عظیمی از فایلهای دیجیتال را مدیریت کند.
اگر شیمی و سختافزار با آن همگام شوند، نسخههای آینده میتوانند کارتریجهای DNA به سبک کاست را به خزانههای طولانیمدت برای موسیقی، فیلمها و آرشیوها تبدیل کنند.
این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
