انقلاب اعجاب انگیز در ذخیره سازی به وسیله دی ان ای!
کونفه: به گزارش کونفه، با گذشت سال ها، اغلب سیستم های ذخیره سازی داده ها، در نهایت از کار خواهند افتاد؛ اما همیشه جایگزین هایی هم وجود دارد.
غزال زیاری: تحقیق در رابطه با ذخیره داده های دیجیتال در داخل رشته های DNA از دهه قبل و به دنبال تلاش ها برای توالی یابی ژنوم انسان، سنتز DNA و توسعه ژن درمانی شروع شده و محققان تا امروز چندین فیلم، کتاب و سیستم عامل های کامپیوتر را در DNA رمزگذاری کرده اند. حتی نتفلیکس هم از این کار برای ذخیره کردن اپیزودی از سریال Biohackers بهره برده. اطلاعات ذخیره شده درDNA به صورت کلی انسان بودن (یا هرگونه دیگری) را مشخص می کند ولی خیلی از متخصصان معتقدند که این روش ذخیره سازی، فوق العاده فشرده، بادوام و طولانی مدتی است که می تواند جایگزین خیلی از روش های غیرقابل اعتماد و نامطمئن ذخیره داده های دیجیتال شود؛ بخصوص که در این روش های نامطمئن خیلی از داده ها از بین رفته و در عین حال به انرژی زیادی برای ذخیره نیاز خواهد بود. از طرفی بعضی از محققان به دنبال روش های دیگری هستند تا بتوان داده ها را به روشی موثر و برای همیشه ذخیره کرد؛ شیوه هایی مثل حکاکی کردن و خراشیدن اطلاعات برروی مهره های بسیار بادوام شیشه ای که برداشتی مدرن از نقاشی در غارهاست.
اما این اطلاعات واقعا چقدر باقی خواهند ماند و آیا واقعا میتوان به ذخیره مجموعه ای از داده هایی که توسط بشر برای آیندگان تولید می شوند، روی این روش ها حساب باز کرد؟ هرچه دنیا دیجیتالی تر می شود، اتکای ما به داده درحال افزایش است. فیلمها، عکس ها، وبسایت ها، مدارک تجاری، سوابق حساس امنیتی، همه چیز دیجیتالی هستند و هرروز از آنها استفاده می نماییم. چرا هارد دیسک ها قابل اعتماد نیستند؟ طبق گزارش بی بی سی، خیلی از مجموعه داده هایی که تولید کرده ایم به صورت کدهای صفر و یک برروی نوارهای مغناطیسی مثل هارد دیسک ها ذخیره شده اند؛ اما این راهکار ایده آلی نیست؛ مغناطیس زدایی، معضل بزرگی است؛ یعنی آهنرباهای دائمی به تدریج میدان مغناطیسی شان را از دست می دهند؛ پس برای حفظ ایمن داده ها، مهم می باشد که هرچند سال یک مرتبه، باردیگر آنها را در هارد دیسک ذخیره کنید. دینا زیلینسکی، محقق ارشد ژنومیک انسانی در انستیتو ملی تحقیقات سلامتی و پزشکی فرانسه دراین باره گفته: «به طور میانگین داده ها در هارد دیسک ها، بین ۱۰ تا ۲۰ سال دوام می آورند؛ اگر خوش شانس باشید و شرایط هم ایده آل باشد، شاید طول عمرشان تا ۵۰ سال هم برسد.» ذخیره داده ها به مراکز داده عظیمی نیاز دارد که به انرژی زیادی برای خنک نگه داشتنش نیاز خواهد بود و این خودش مشکل بزرگی است؛ برنامه ذخیره سازی اطلاعات مولکولی دولت آمریکا (Mist) که درسال ۲۰۱۹ راه اندازی شده به دنبال جایگزینی برای ذخیره سازی داده های عظیم فعلی است. زیلینسکی دراین باره گفته: « در حال حاضر سخت افزار کم آورده ایم و فکر می کنم که صنعت نمی تواند با تولید دیسک های سخت و سرورها، با سرعت احتیاج به ذخیره تمام داده های موجود رقابت کند.» ولی آیا واقعا احتیاج به حفظ این حجم از داده ها و ذخیره آنها برای مدتی بسیار طولانی داریم؟ چرا افراد به حفظ داده هایشان نیاز دارند؟ مردم علل مختلفی برای حفظ داده هایشان برای مدت زمان های طولانی دارند؛ اول بحث علوم مطرح می شود؛ محققان حجم بالایی از اطلاعات تولید می کنند و هرچه داده هایشان بیشتر باشد، بهتر خواهد بود. تلسکوپ های رادیویی و شتاب دهنده های ذرات، مثل LHC در سازمان تحقیقات هسته ای اروپا (معروف به سرن) در مرز سوئیس و فرانسه، مجموعه ای از داده ها را تولید می کند و طبق گفته لاتچسار لونکوف، دانشمند علوم کامپیوتر که روی ذخیره DNA در لابراتوار ملی لوس آلاموس کار می کند، گفته که دانشمندان خواستار آن هستند تا همه این داده ها را حفظ کنند. خود LHC سالانه به تنهایی ۹۰ پتا بایت (۹۰ میلیون گیگابایت) داده تولید می کند. بیشتر بخوانید: پهپادهای شگفتی ساز ایران، از انتحاری تا شناسایی عکس پهپاد غیرعادی چینی رکوردشکن شد! مارک بات، پروفسور مهندسی بیولوژیک در موسسه فناوری ماساچوست، یکی از بانیان استارت آپ Cache DNA است که برای ایجاد دسترسی گسترده و مفید به بیومولکول ها به راه افتاده است. بات در اینباره گفته: «تهدیدهای جهانی که بشریت با آن روبروست، ما را برآن واداشته تا هم از اطلاعات دست ساز بشر مثل هنر و علم محافظت نماییم و هم از DNA تمام موجودات زنده روی کره زمین. بدین ترتیب اگر قرار بود تا زندگی باردیگر در زمین بازآفرینی شده و یا از سیارات دیگر منتقل شده یا به کره زمین منتقل شود، سوابقی از کارهایی که ما انجام دادیم و چیزهایی که داشتیم موجود خواهد بود.» ذخیره اطلاعات برروی DNA خیلی از محققان ذخیره سازی DNA براین باورند که برای ذخیره سازی گسترده و طولانی مدت اطلاعات به محیط ذخیره سازی فوق العاده ای دست یافته اند. ما عمدتا DNA را بعنوان راهی برای ذخیره اطلاعات ژنتیکی و ژنومی می بینیم؛ اما خیلی از محققان حالا از امکان ذخیره حجم عظیمی از داده های دیجیتال که هم اکنون مراکز داده در سرتاسر جهان را به سرحد انفجار رسانده، حسابی هیجان زده اند. بات دراین باره می گوید: « DNA یک انتخاب طبیعی است؛ طبیعت هزاران سال است که از DNA برای ذخیره اطلاعات به شیوه ژنوم ها بهره می برد و میلیاردها سال است که این گونه است و چیزی است که میتوان به نحوی روی آن سرمایه گذاری کرد. تا وقتی که DNA وسیله ذخیره سازی اطلاعات اساسی یک گونه، مثل انسان ها باشد، چیزی است که می دانیم باید با آن چه نماییم.» زیلینسکی هم دراین باره گفته: « این مورد را با این حقیقت مقایسه کنید کهDNA در خلال ۳.۷ میلیارد سال قبل تا عصر اطلاعات که در دهه ۱۹۵۰ آغاز شد، بهینه سازی شده است. ما در زمینه تکنولوژی ساخت دست بشر پیشرفت های زیادی داشته ایم ولی از نظر کارایی بسیاری از DNA بهتر نبوده ایم. بعلاوه این حقیقت که می توانیم قطعات DNA را از حیواناتی قبل مثل ماموت های پشمالو که داده های معناداری در رابطه با ژنوم هایشان عرضه شده، بازیابی نماییم، از آن حکایت می کند که DNA واقعا با دوام است.» خطراتی که DNA را تهدید می کنند البته باید این را هم درنظر داشت که DNA بشدت شکننده است و شرایطی که منجر به فسیل شدن جانوران می شود، شرایط نادری است. اولگیکا ملینکوویچ، پروفسور مهندسی الکترونیک و کامپیوتر در دانشگاه ایلینوی آمریکا می گوید: «شرایط فراوانی همچون رطوبت، اسیدها و تششعات همگی به DNA صدمه می زنند و سبب تخریبش می شوند؛ اما اگر DNA سرد و خشک نگه داشته شود، سال ها سالم باقی می ماند.» در عین حال میتوان برای حفاظت از DNA آنرا در داخل موادی مثل گوی های شیشه ای (دقیقا مثل نحوه حفاظت از مواد ژنتیکی در فسیل های باستانی) محصور کرد. روبرت گرس، محقق موسسه ETH زوریخ و تیمش نشان داده اند که این گوی ها از DNA در مقابل مواد شیمیایی و حرارت محافظت می کنند. مراقبت های آتی شامل قراردادن DNA در یک مکان ایمن از لحاظ فیزیکی است. طبق گفته میلنکوویچ، ذخیره داده های سرنوشت ساز برای انسان ها، در یک DNA محصور شده، در یک طاق یخی به منزله آن است که این اطلاعات می توانند حدودا تا ابد حفظ شوند.»
مزایای بهره گیری از DNA برای ذخیره داده ها یکی از مزایای بزرگ DNA اینست که ذخیره ای بسیار متراکم از اطلاعات است، در حدی که قابل مقایسه با هیچ دستگاه ساخت بشر نیست. طبق گفته ایونکوف و برپایه برآوردها ۳۳ زتابایت از داده هایی که انسان ها در سال ۲۰۲۵ تولید خواهند کرد ( یعنی ۳.۳ با ۲۲ تا صفر) را میتوان در یک ذخیره DNA به اندازه یک توپ پینگ پونگ ذخیره سازی کرد. او براین باور است که ذخیره این حجم از اطلاعات در DNA چند دهه به طول خواهد انجامید. جالب اینجاست که بعید است که ذخیره سازی اطلاعات در DNA، برخلاف دیگر ابزارهای ذخیره سازی اطلاعات ساخت دست بشر، هیچگاه منسوخ شود. میلنکوویچ این سوال را مطرح کرده که هم اکنون دیگر چه کسی از فلاپی دیسک ها استفاده می کند؟ ولی با ذخیره سازی بر DNA همواره قادر به خواندن اطلاعات خواهیم بود. معایب ذخیره داده ها روی DNA البته در این راه چالش های بزرگی هم پیش روست. در مقاله ای که درسال ۲۰۱۸ انتشار یافت، گرچه DNA پتانسیل عظیمی بعنوان ابزاری برای ذخیره داده ها در آینده دارند، ولی تنگناهای گوناگونی مثل هزینه های سنگین، مکانسیم های نوشتن و خواندن کند و صدمه پذیری جهش ها و یا خطاهایی هم وجود دارند که باید برطرف شوند. همچون موانع بزرگ برای ذخیره حجم بالایی از اطلاعات برروی DNA، هزینه سرسام آور آن است که به مراتب بالاتر از ذخیره اطلاعات روی هارددیسک هاست. طبق گفته زیلینسکی، ذخیره پنج کالای دیجیتال (یک مقاله علمی، فیلم یک دقیقه ای، سیستم عامل کامپیوتر و کارت هدیه آمازون)، هزینه ای در حدود ۷۵۰۰ دلار به همراه خواهد داشت. او دراین باره گفته: « هزینه ذخیره سازی برروی DNA متغیر است؛ چون که به متد سنتز و همینطور طرح رمزگذاری و نحوه رمزگشایی آن بستگی دارد.» زیلینسکی افزود: « تمرکز اصلی ما برروی کاهش هزینه های سنتز این فرایند است.» طبق گفته بات، برای رقابت با رسانه های دیجیتال رایج، هزینه ذخیره سازی DNA باید کاهش بیابد. از همین رو مسیری طولانی پیش روست ولی هم اکنون دانشمندان می کوشند تا ببینند که به صورت همزمان می توانند برروی چند مولکول DNA دیتا ذخیره کنند: « با نیم نگاهی به صنعت الکترونیک، کاهش هزینه ها در این صنعت را می بینید. هزینه سنتز DNA هم به طرز قابل ملاحظه ای کاسته شده.» ذخیره داده ها برروی DNA طبیعی گزینه دیگری هم که مانع از سنتز می شود، امکان ذخیره داده ها در DNA طبیعی است که دستخوش تغییراتی شده که این روش می تواند بسیار ارزان تر از ساخت مولکول های DNA جدید باشد. بدین ترتیب که مولکول اصلی نقطه مرجع کد خواهد بود و نیازی به سنتز نیست. این بدین معناست که فرایند ارزان تر بوده و از محصولات جانبی سمی در رابطه با سنتز DNA اجتناب خواهد شد. ایونکوف هم دراین رابطه گفته: « به این دلیل که ما می توانیم داده هایی از فسیل ها به دست بیاوریم، حدودا اطمینان داریم که ذخیره DNA می تواند برای مدتی طولانی دوام بیاورد. مثلاً ما قادر خواهیم بود تا این اطلاعات را هزار سال دیگر هم بخوانیم.» سازمان ایونکوف بخشی از گروهی به نام DNA Data Storage Alliance است که به دنبال کسب اطمینان از اینست که چطور قادر به رمزگشایی داده ها در قرن های آینده خواهیم بود و یکی از زیر مجموعه های این گروه، به بررسی چگونگی ایجاد یک راهنمای جهانی برای نحوه خواندن آرشیو ذخیره DNA است. خطراتی که بشریت را تهدید می کنند البته طبق گفته زیلینسکی استفاده گسترده و جهانی از سنتز DNA امکان دارد خطراتی را با خود به همراه داشته باشد؛ مثلاً این که مردم امکان دارد تلاش کنند تا از این روش برای ذخیره موارد دیگری به جز دیتا و اطلاعات بهره ببرند و مثلاً ویروس یا باکتری را سنتز کنند و یا حتی DNA فردی را ساخته و آنرا در صحنه جنایت به کار گرفته و رها کند. بات هم موافق این امر است که مسائل و خطرات بسیاری در رابطه حریم خصوصی وجود خواهند داشت. او درعین حال یادآوری کرده که شرکتهای زیادی به دنبال آن هستند تا DNA همه افراد در کره زمین را لیست بندی کنند. برخی دیگر هم به این نکته اشاره کرده اند که چقدر تصور این امر ترسناک است که یک نفر بتواند توالی DNA میلیاردها انسان را در یک سیستم ذخیره داده های کوچک نگه دارد. بات دراین باره گفته: « ما باید فناوری هایی را دراین باره بسازیم؛ چون اگر این کار را نکنیم، قادر نخواهیم بود تا این ریسک ها را کاهش داده یا حتی درک نماییم. این موجودیتی ناشناخته و کنترل نشده خواهد بود.» جایگزین های دیگری برای این روش با درنظر داشتن این موارد، این مورد ارزش آنرا دارد که در رابطه با جایگزین های دیگری برای ذخیره سازی داده های DNA بررسی نماییم. پیتر کازانسکی، استاد اپتوالکترونیک دانشگاه ساوثهمپتون، فناوری ذخیره نوری ساخته که به نظرش رقیب ارزشمندی برای ذخیره داده در DNA است و اعتقاد دارد که داده های ذخیره شده به شیوه او، میلیونها یا میلیاردها سال باقی خواهند ماند. این تیم برروی نوشتن با لیزر در فمتوثانیه ( یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه) کار می کند و با استفاده از لیزری مشابه با لیزر مورد استفاده در جراحی چشم، اطلاعات را برروی دیسک های شیشه ای سیلیسی مقاومی می خراشد. کازانسکی دراین رابطه می گوید: « ما کشف کردیم که در این شرایط میتوان نانوساختارهای بسیار کوچکی را تشکیل داد و از این ساختار برای رمزگذاری اطلاعات استفاده می نماییم.» این روند کاملا مشابه با روند رایت کردن CD یا DVD است که با استفاده از پلیمرهای نور لیزر انجام می گیرد ولی در این فناوری جدید، ساختارها واقعا کوچک و پایدار هستند و در دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد هم دوام می آورند و در تماس با تشعشات هم صدمه نمی بینند. بیشتر بخوانید: فوری واتساپ در سرتاسر جهان قطع شد عکس تانک پرنده جماهیر شوروی؛ سلاحی استثنایی! فوری علت قطعی جهانی واتساپ مشخص شد کازانسکی دراین باره گفته: « یکی از مزایای ذخیره سازی ما دوام آن است که حدودا می تواند برای همیشه اطلاعات را حفظ کند.» تا به امروز اسنادی مثل اعلامیه جهانی حقوق بشر، کتاب کینگ جیمز و یا راهنمای سفر به کهکشان همه با استفاده از این تکنولوژی ذخیره شده اند. گزینه های مولکولی برای کدگذاری داده ها دیگر محققان هم در حال بررسی انتخابهای مولکولی برای کدگذاری کردن داده هایی هستند که شامل DNA نمی شوند؛ روش هایی مثل استفاده از زنجیره های انواع دیگر مولکول های مصنوعی که سنتز کردنشان راحتتر و ارزان تر است؛ همچون کدی که بتوان به سادگی توسط کنترل کردن جرم مولکول های منفرد ایجاد کرد؛ با جرم های مختلفی که تلفیقی از صفر و یکهاست. در حال حاضر توانایی رمزگذاری داده های دیجیتال به DNA، محصور کردن آن و حفاظت از آن برای صدها و هزاران سال وجود دارد. و تنها نقطه ضعف موجود، انتخاب داده ای است که این کار را برروی آن انجام داد و یا نحوه غلبه بر گلوگاه سنتز DNA است تا بتوان حجم بیشتری از داده ها را ذخیره کرد. ایونکوف دراین باره گفته: « من هیجان زده ام که از DNA برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود ولی به نظر من هنوز به بیست سال دیگر زمان نیاز است.» زیلینسکی هم اعتقاد دارد که انسان ها در میان پنج تا ده سال آینده، استفاده از DNA برای ذخیره سازی داده هایی که احتیاج به دسترسی مداوم به آنها ندارند (از جمله سوابق مالی مهم یا داده های تاریخی) را آغاز خواهند کرد. ۵۸۵۸
منبع: kunefe.ir
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب