ذخیره سازی اطلاعات در DNA، راهی اجتناب‌ناپذیر به سوی آینده

صاحب‌نظران بزرگ فناوری فکر می‌کنند که زیست‌شناسی راه‌ حلی برای مشکل ذخیره‌سازی دیتا خواهد بود. به نقل از محققان شرکت مایکروسافت، این شرکت بر مبنای پژوهش‌های پیشین در مورد ذخیره‌سازی فیلم‌ها و مدارک در دی‌ان‌ای، دستگاهی توسعه داده که با بهره‌گیری از زیست‌شناسی، توانسته است ابزارهای معمول ذخیره‌سازی اطلاعات را کنار بزند.

متخصصان معماری کامپیوتر مایکروسافت می‌گویند این شرکت در نظر دارد تا پایان دهه‌ی جاری میلادی سیستم‌های ذخیره‌سازی بر پایه‌ی دی‌ان‌ای را درون یکی از پایگاه‌های داده‌ی خود به مرحله‌ی بهره‌برداری برساند. داگ کارمین، یکی از همین متخصصان می‌گوید:

هدف فعلی ما طرح یک دستگاه نمونه خواهد بود که در سه سال آینده به بهره‌وری می‌رسد. دستگاه برای آزمایش، مقداری از داده‌های یکی از پایگاه‌های اطلاعاتی ما را در خود ذخیره خواهد کرد. ابعاد این نمونه در نهایت به‌اندازه‌ی یک دستگاه زیراکس مدل ۱۹۷۰ خواهد بود.

مایکروسافت هدف جاه‌طلبانه‌ی دیگری نیز دارد؛ مبنی بر این‌که نوارهای گردان ضبط فیلم را با سیستم دی‌ان‌ای به‌روزرسانی کند و آن را تحت برندی با نام Your Storage with DNA ثبت کند. تفاوت نوارهای گردان با هارددیسک‌های امروزی، دسترسی ترتیبی در نوارهای گردان برخلاف دسترسی تصادفی در هارددیسک‌های امروزی است. به این معنی که دیسک‌گردان می‌تواند داده‌ها را از قسمت‌های مختلف دیسک بخواند؛ ولی در نوار گردان، نوار باید توسط دو چرخک بچرخد و تنها یک قسمت از نوار درآن‌واحد قابل خواندن است.

این طرح‌ها نشان می‌دهند شرکت‌ها چقدر در ایده‌ی ذخیره‌ی ویدئو، عکس و دیگر داده‌های ارزشمند در مولکول‌هایی که سازنده‌ی ژن‌های ما نیز هستند، جدی‌اند. ویکتور ژیرنف سرپرست گروه تحقیقاتی دانشمندان شرکت Semiconductor Research Corporation درباره‌ی دلیل این امر بیان می‌کند:

صنایع کامپیوتری در تمام جهان همیشه در تلاش‌اند تا ابعاد رایانه‌ها کوچک‌ و کوچک‌تر شود و این در حالی است که کوچک‌تر کردن حافظه‌های فعلی با محدودیت‌های فیزیکی روبه‌رو شده است و به سخن دیگر نمی‌توان آن‌ها را جمع‌وجورتر از حالت فعلی ساخت. اما دی‌ان‌ای، توان ذخیره‌سازی حجم عظیمی از داده‌ها را در فضایی بسیار کوچک دارد. اگر بخواهیم تمام فیلم‌هایی را که تاکنون به دست بشر ساخته شده‌اند، روی دی‌ان‌ای ذخیره کنیم، به فضایی بزرگ‌تر از یک حبه قند نیاز نخواهیم داشت! بله؛ دی‌ان‌ای چگال‌ترین ماده‌‌ی شناخته‌شده با قابلیت ذخیره‌ی اطلاعات در تمام عالم است. این ادعا کاملا بر پایه‌ی قوانین فیزیک است. حالا دلیل علاقه‌ی وافر غول‌های فناوری به حافظه‌های بر پایه‌ی دی‌ان‌ای را فهمیدید و این علاقه با توجه به پیش‌بینی رشد نمایی داده‌های ذخیره‌شده در سراسر جهان توجیه‌پذیرتر نیز می‌شود.

البته هنوز مشکلات زیادی تا رسیدن به یک حافظه‌ی کاربردی بر پایه‌ی دی‌ان‌ای باقی مانده است. تبدیل کدهای دیجیتال دودویی به رشته‌ی دی‌ان‌ای (ساخته‌شده از ۴ نوع نوکلئونید A ,B ,C و D) به دلیل فرآیندهای پیچیده‌ی شیمیایی مورد استفاده در سنتز دی‌ان‌ای، بسیار طاقت‌فرسا و پرهزینه است. در این پروژه‌ی مایکروسافت از ۱۳,۴۴۸,۳۷۲ قطعه دی‌ان‌ای استفاده شده است که متخصصان قیمت تمام‌شده‌ی آن را ۸۰۰,۰۰۰ دلار تخمین می‌زنند!

یانیو ارلیخ استاد دانشگاه کلمبیای آمریکا که اخیرا مقاله‌ای با عنوان رویکردی جدید برای ذخیره‌سازی داده روی دی‌ان‌ای منتشر کرده است، می‌گوید:

مشکل اصلی ذخیره‌سازی اطلاعات روی دی‌ان‌ای، قیمت تمام‌شده‌ی آن است. بنابراین سؤال اینجا است که آیا مایکروسافت توانسته این مشکل را حل کند؟ بر اساس آنچه تابه‌حال منتشر شده است، اشاره‌ای به این موضوع نشده ولی ممکن است مایکروسافت واقعا راه‌حل را پیدا کرده باشد؛ این مسائل معمولا به دلیل جاسوسی صنعتی و قوانین مالکیت فکری عمومی نمی‌شوند.

خود مایکروسافت نیز اعلام کرده است که برای این‌که حافظه‌های بر پایه‌ی دی‌ان‌ای قابلیت تجاری‌سازی پیدا کنند، باید قیمت تمام‌شده‌ این فرآیند تا ۱۰,۰۰۰ برابر کاهش پیدا کند. بسیاری از متخصصان این حوزه، چنین کاری را ناممکن می‌دانند؛ ولی مایکروسافت همچنان امیدوار است نیاز صنایع کامپیوتری مانند قبل چنین پیشرفت‌هایی را رقم بزند.

خودکار شدن فرایند نوشتن داده‌های دیجیتال به شکل دی‌ان‌ای نیز ضروری است. کارمین با توجه به مدت‌زمان لازم برای آزمایش اخیر مایکروسافت و حجم داده‌ها حدس می‌زند که سرعت نوشتن داده‌ها نباید بیش‌تر از ۴۰۰ بایت بر ثانیه باشد و بنا به اعلام خود مایکروسافت، راه زیادی باقی است تا این سرعت به مقدار مطلوب ۱۰۰ مگابایت بر ثانیه برسد.

البته خواندن داده‌های ذخیره‌شده به شکل دی‌ان‌ای فرآیند آسان‌تری است. این وظیفه توسط یک دستگاه فوق‌سریع توالی‌یابی دی‌ان‌ای و مشابه با عملیات خواندن داده‌ها در هارددیسک‌های امروزی صورت می‌گیرد. مایکروسافت پیش‌بینی می‌کند که افزایش این سرعت به میزان حتی ۲ برابر، می‌تواند برای قابلیت تجاری‌سازی کفایت کند.

از آنجا که بازنویسی داده‌ها به شکل‌ دی‌ان‌ای بسیار کند خواهد بود، پیش‌بینی می‌شود استفاده‌های اولیه از این فناوری به موقعیت‌های خاصی محدود شود. برای مثال اطلاعاتی که باید برای مقاصد قانونی و حقوقی ذخیره شوند و نباید تغییر در آن‌ها رخ دهد و نباید پاک شوند. مانند وید‌ئوهای دوربین‌های امنیتی یا سوابق پزشکی. یکی از مدیران روابط عمومی مایکروسافت اعلام کرده است که این موضوع هنوز فقط درون شرکت مطرح است و نمی‌توان جزئیات آن را بیان کرد.

مایکروسافت در زمینه‌ی ساخت دی‌ان‌ای با شرکت توئیست بیوساینس همکاری می‌کند. این شرکت در سان‌فرانسیسکو واقع شده و یکی از شرکت‌های متعددی است که به‌تازگی در این زمینه‌ی آینده‌دار مشغول به فعالیت شده‌اند. از دیگر شرکت‌های مطرح این حوزه می‌توان DNAScript، Nuclera Nucleics، Evonetix، Molecular Assemblies، Catalog DNA، Helixworks و Genome Foundry را نام برد.

یکی از رویکرد‌هایی که این شرکت‌های نوپا به آن امیدوارند، جایگزینی روش قدیمی (۴۰ ساله) ساخت دی‌ان‌ای با روشی است که بدن ما دی‌ان‌ای می‌سازد؛ یعنی با استفاده از آنزیم‌ها. جین بولوت از شرکت تکنیکالر واقع در لس‌آلتوس که سرپرست گروهی از محققان در این زمینه است، می‌گوید:

دانشگاه هاروارد روی این پژوهش‌ها سرمایه‌گذاری کرده و جورج چرچ متخصص ژنومیک از این دانشگاه، در این زمینه به نتایج امیدوارکننده‌ای رسیده است. با اطمینان بالایی امسال به نتایج مثبت بیشتری نیز خواهیم رسید. شرکت تکنیکالر هم‌ اکنون در حال مذاکره با استودیوهای بزرگ فیلم‌سازی است. بسیاری از فیلم‌های این استودیوها که پیش از ۱۹۵۱ ساخته و روی نوارهای سلولوئیدی ذخیره شده بودند، از بین‌ رفته‌اند. نگهداری از حلقه فیلم‌های باقی‌مانده نیز بسیار پرهزینه و نیازمند فضاهای بزرگ است. ذخیره‌سازی روی دی‌ان‌ای با عمر بالا و اشغال فضای بسیار اندک، کمک بسیار بزرگی به این شرکت‌ها خواهد کرد.

شرکت ژیرنف نیز از سال ۲۰۱۳ روی امکان‌پذیری تجاری ذخیره‌ی اطلاعات به فرم دی‌ان‌ای تحقیق می‌کند و مایکروسافت، اینتل و بسیاری شرکت‌های دیگر مشتری اطلاعات آن هستند. ویکتور ژیرنف بیان می‌کند:

ابتدا متخصصان دستگاه‌های ذخیره‌ی اطلاعات که عموما با مواد نیمه‌رسانا ازجمله سیلیکون کار می‌کردند، فکر می‌کردند دی‌ان‌ای مانند بافت بدن تخریب‌پذیر و درنتیجه برای ذخیره‌ی اطلاعات نامناسب است. درحالی‌که دی‌ان‌ای شاید صدها و حتی هزاران مرتبه از دستگاه‌های سیلیکونی عمر بیشتری دارد. این مولکول شدیدا پایدار است و بازیابی آن از ماموت‌هایی که هزاران سال پیش مرده‌اند، مؤید همین موضوع است. اما مزیت اساسی دی‌ان‌ای چگال بودن آن است. یک میلی‌متر مکعب از دی‌ان‌ای می‌تواند ۱,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ بایت اطلاعات ذخیره کند و امروز در صنعت و بازاریابی، کوچک‌تر ساختن، از هر چیزی مهم‌تر است.

اگر الان بخواهید یک فلاپی دیسک قدیمی را بخوانید، احتمالا به‌اندازه‌ی خواندن نگاره‌های هیروگلیف سنگ‌نوشته‌های باستانی به دردسر خواهید افتاد! اما یک مزیت دیگر برای ذخیره‌سازی داده‌ها به فرم دی‌ان‌ای این است که احتمالا هرگز منسوخ نخواهد شد. همان‌طور که کارمین می‌گوید:

ما تا زمانی که انسان هستیم به خوانش دی‌ان‌ای ادامه خواهیم داد.