هل يمكن تخزين صورنا وبياناتنا الرقمية في الحمض النووي؟

يوجد على كوكبنا الأرضي الآن حوالي 10 تريليونات غيغابايت من البيانات الرقمية، وكل يوم ينتج البشر رسائل بريد إلكتروني وصورا وتغريدات وملفات رقمية عديدة أخرى تضيف ما يبلغ 2.5 مليون غيغابايت أخرى من البيانات.

ويتم تخزين الكثير من هذه البيانات في منشآت هائلة تُعرف باسم "مراكز بيانات إكسابايت" (إكسابايت= 1 مليار غيغابايت) وهي بحجم عدد كبير من ملاعب كرة القدم، وتكلف حوالي مليار دولار للبناء وللصيانة.  تخزين كل بيانات العالم في كوب قهوة من الحمض النووي.

عتقد العديد من العلماء أن الحل البديل يكمن في الجزيء الذي يحتوي على معلوماتنا الجينية، أي الحمض النووي الرايبوزي أو ما يعرف بـ"دي إن إيه" (DNA)، والذي يمكن تطويره لتخزين كميات هائلة من المعلومات بكثافة عالية جدا. وفي هذا السياق يقول مارك باثي أستاذ الهندسة البيولوجية في معهد ماساشوستس للتكنولوجيا "إم آي تي" (MIT) إن "كوب قهوة مليئا بالحمض النووي يمكنه نظريا تخزين جميع بيانات العالم"، كما ذكر موقع "تكنولوجي" (technology.org) مؤخرا نقلا عن منصة المعهد التي نشرت البحث.

ويوضح باثي "نحن بحاجة إلى حلول جديدة لتخزين هذه الكميات الهائلة من البيانات التي يقوم العالم بإنتاجها وتجميعها، وخاصة البيانات الأرشيفية، والحمض النووي الرايبوزي أكثر كثافة بألف مرة من ذاكرة الفلاش، وهناك خاصية أخرى مثيرة وهي أنه بمجرد أن تصنع بوليمر الحمض النووي، فإنه لا يستهلك أي طاقة، ويمكنك كتابة الحمض النووي ثم تخزينه إلى الأبد".

لقد أثبت العلماء بالفعل أنه يمكنهم تشفير الصور والصفحات النصية على شكل الحمض النووي الرايبوزي، ومع ذلك فإن هناك حاجة أيضا إلى إيجاد طريقة سهلة للوصول إلى الملف المطلوب من القطع العديدة والمتداخلة التي يتكون منها الحمض النووي، وهذه كانت مشكلة معقدة واجهت العلماء في السابق، ولكن باثي وزملاءه استطاعوا حلّ هذه المشكلة وإيجاد طريقة للقيام بذلك من خلال تغليف كل ملف بيانات محدد في جسيم من السيليكا سعته 6 ميكرومترات، والذي تم تمييزه وتصنيفه بتسلسلات قصيرة من الحمض النووي تكشف عن محتوياته.

باستخدام هذه الطريقة، أظهر الباحثون أنه يمكنهم بدقة سحب الصور الفردية المخزنة في سلاسل الحمض النووي، ويمكنهم بهذا الأسلوب تصنيف ملفات قد يبلغ حجمها 1020.

تخزين مستقر

تقوم أنظمة التخزين الرقمية بترميز النص أو الصور أو أي نوع آخر من المعلومات على شكل سلسلة من 0 و1 أو البت والبايت، ويمكن تشفير هذه المعلومات نفسها في الحمض النووي باستخدام النيوكليوتيدات الأربعة التي تشكل الشفرة الجينية وهي: "إيه، تي، جي، سي" (A,T,G,C)، وعلى سبيل المثال يمكن استخدام "جي" (G) و"سي" (C) لتمثيل البيت (bit) "0"، في حين يمثل "إيه" (A) و"تي" (T) البايت (Byte) "1".

ويحتوي الحمض النووي على العديد من الميزات الأخرى التي تجعله مرغوبا كوسيط للتخزين: فهو مستقر للغاية، وسهل الاستعمال كذلك -مع أنه مكلف-، وهو بسبب كثافته العالية يوفر الكثير من المساحة، فحجم 1 إكسابايت من البيانات المخزنة لا يكاد يصل إلى 1 نانوميتر مكعب، والتي تستطيع وضعها في راحة يدك دون أن تشعر بها بدلا من ملعب ضخم لكرة القدم.

تتمثل إحدى العقبات الكبرى التي تعترض هذا النوع من التخزين في التكلفة المادية العالية، حيث تبلغ تكلفة كتابة بيتابايت واحد (مليون غيغابايت) من البيانات حاليا نحو تريليون دولار. ولكي تصبح منافسا للشريط المغناطيسي الذي غالبا ما يستخدم لتخزين البيانات الأرشيفية في وقتنا الحالي، فيجب أن تنخفض التكلفة بشكل كبير، ويتوقع باثي أن يحدث هذا خلال عقد من الزمن أو عقدين على أبعد تقدير.

العقبة الرئيسية التي واجهت الباحثين

بصرف النظر عن التكلفة، فإن العقبة الرئيسية التي واجهت فريق البحث في استخدام الحمض النووي لتخزين البيانات هي صعوبة العثور على الملف الذي تريده من بين جميع الملفات الأخرى.

ويوضح باثي "لنفترض أن التكلفة انخفضت إلى حد معقول ومجد اقتصاديا، واستطعنا تخزين إكسابايت أو زيتابايت من البيانات في الحمض النووي، فماذا إذن؟ سيكون لدينا كومة ضخمة من البيانات المخزنة في "دي إن إيه"، وإذا أردت العثور على فيلم معين أو صورة ما فسيكون الأمر بمثابة محاولة العثور على إبرة في كومة قش".

حاليا، يتم استرداد ملفات الحمض النووي بشكل تقليدي باستخدام "تفاعل البلمرة المتسلسل" أو "بي سي آر" (PCR)، ويتضمن كل ملف بيانات في الحمض النووي رقما متسلسلا يرتبط بـ"بي سي آر" بعامل تمهيدي، ولسحب ملف معين تتم إضافة هذا العامل التمهيدي إلى العينة للعثور على التسلسل المطلوب. ومع ذلك، فإن أحد العوائق في هذا النهج هو إمكانية حدوث تفاعل متبادل بين العامل التمهيدي وتسلسل الحمض النووي، مما يؤدي إلى سحب ملفات غير مرغوب فيها.

ما الحل لهذه المعضلة؟

كنهج بديل، طوّر فريق "إم آي تي" (MIT) تقنية استرجاع جديدة تتضمن تغليف كل ملف يتم تخزينه في الحمض النووي في كبسولة سيليكا صغيرة. ويتم ترميز كل كبسولة بـ"رموز شريطية" للحمض النووي أحادي السلسلة، تتوافق مع محتويات الملف، وهذه الرموز هي بمثابة اسم الكبسولة التي يحتويها الملف.

 

للتأكد من فعالية هذه الطريقة، رمّز (سمّى) الباحثون 20 صورة مختلفة إلى قطع من الحمض النووي يبلغ طولها حوالي 3 آلاف نيوكليوتيد، وهو ما يعادل حوالي 100 بايت.

وقد كانت النتيجة مذهلة، فقد تم تمييز المواد الأولية بجزيئات فلورية أو مغناطيسية، مما جعل من السهل سحبها والتأكد من تطابقها مع الملف المطلوب، ومن ثم سحب أو فتح ذلك الملف مع ترك باقي الحمض النووي سليما لإعادته إلى التخزين. وتسمح عملية البحث هذه بكتابة كلمات مثل "الرئيس، أميركا، القرن الثامن عشر" لتكون النتيجة الرئيس جورج واشنطن، وهو نفس ما يتم حاليا أثناء البحث عن مثل هذه الكلمات في محرك البحث "غوغل" (Google).

بالنسبة للرموز الشريطية التي استعملوها، فقد استخدم الباحثون تسلسلات الحمض النووي أحادية السلسلة من مكتبة تضم 100 ألف تسلسل، ويبلغ طول كل منها حوالي 25 نيوكليوتيدا، وقد طورها الدكتور ستيفن إليج أستاذ علم الوراثة والطب في كلية الطب بجامعة هارفارد.

وإذا وضعت اثنتين من هذه التسميات في كل ملف، فيمكنك تسمية 1010 (10 مليارات) ملفا مختلفا بشكل فريد، وبوجود 4 تسميات على كل منها يمكنك تسمية 1020 ملفا بشكل فريد.

قفزة عملاقة في تكنولوجيا البحث

يصف جورج تشيرش أستاذ علم الوراثة في كلية الطب بجامعة هارفارد، هذه التقنية بأنها "قفزة عملاقة في إدارة المعرفة وتكنولوجيا البحث".

يقول تشيرش "إن التقدم السريع في الكتابة والنسخ والقراءة وتخزين البيانات الأرشيفية منخفضة الطاقة في الحمض النووي قد ترك فرصا غير مستكشفة لاستعادة ملفات البيانات بدقة من قواعد بيانات ضخمة يصل حجمها إلى 1021 بايت على مقياس زيتا".

ويتابع تشيرش "إن الدراسة الجديدة استطاعت تحقيق هذا بشكل مذهل باستخدام طبقة خارجية مستقلة تماما من الحمض النووي، والاستفادة من الخصائص المختلفة لهذا الحامض، وكل هذا باستخدام ما يتوفر لدينا حاليا من أدوات وعلوم كيمياء.

قد يحتاج الأمر إلى بعض الوقت كي تنخفض التكلفة المادية لهذه الطريقة المذهلة في تخزين البيانات الرقمية، لكنه أمر قادم لا محالة في المستقبل القريب.

بقي أن نذكر أن فريق البحث الذي حقق هذا الإنجاز المذهل يتكوّن من الأستاذ الدكتور مارك باثي رئيسا للفريق، والباحث جيمس باندال من معهد ماساشوستس للتكنولوجيا، والأستاذ المشارك في المعهد واتيسون شيبرد، وطالب الدراسات العليا في المعهد جوزيف بيرلانت.

المصدر : مواقع إلكترونية