دانشمندان مطالعاتی برای بهره گیری از DNA برای ذخیره محتواهای اینترنتی در دستور کار خود قرار داده‌اند چرا که همزمان با تولید روزافزون داده ها، تمام فضاهای ذخیره‌سازی موجود، رو به اتمام است.
به گزارش تکناک، در عرض سه سال، دنیا به انتهای مراکز داده برای ذخیره حتی نیمی از کل داده هایی که کاربران اینترنت تولید خواهند کرد، می رسد. این ادعای وحشتناک توسط تام دگریف، استاد بیولوژی مصنوعی در دانشگاه فناوری ایندهوون (TU/e) مطرح شده است.
آیا اینترنت تا سال 2026 سقوط خواهد کرد؟ اگر شرکت های فناوری به جای هارد دیسک برای ذخیره‌سازی داده‌هایشان از DNA مصنوعی استفاده کنند، این اتفاق نخواهد افتاد. شاید باورتان نشود، اما بر اساس تحقیقات تام دگریف و تیمش، رشته های DNA قادر به ذخیره مقادیر بسیار زیادی از داده های دیجیتال هستند و در بسیاری از جنبه ها، بهترین امکانات مراکز داده امروزی را دارند.
تیم TU/e، در مطالعه اخیر خود، یک تکنیک پیشنهاد داد که اقرار می‌کند ذخیره سازی داده‌ها در DNA کاربردی، مقیاس‌پذیر و بسیار کارآمد خواهد بود.
آیا واقعاً می توان داده ها را روی DNA ذخیره کرد؟
DNA در حال حاضر برای ذخیره تمام اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده که بیشترین بخش از ساختار جسمانی و روانی آن را تشکیل می دهد، شناخته شده است. جالب است بدانید که این نخستین بار نیست که دانشمندان استفاده از DNA مصنوعی (تولید شده در آزمایشگاه) برای ذخیره داده های دیجیتال را پیشنهاد داده اند.
این ایده برای اولین بار در دهه ۱۹۸۰ مطرح شد و حدود ۳۰ سال بعد، در سال ۲۰۱۲، یک گروه از دانشمندان در دانشگاه هاروارد توانستند یک کتاب به طول ۵۲ هزار کلمه را روی قطعات DNA ذخیره کنند. آنها قادر بودند یک میلیون و 280 هزار گیگابایت از داده را در هر گرم DNA ذخیره کنند.
با این حال، روش آنها چندین محدودیت داشت و به همین دلیل ذخیره‌سازی DNA به عنوان یک راه حل ذخیره سازی داده های عمده برای استفاده در مقیاس عمومی پذیرفته نشد. از آن زمان به بعد، بسیاری از دانشمندان دیگر سعی کرده‌اند تا فرآیند را کارآمد و مقیاس پذیر کنند، اما برخی چالش ها هنوز برطرف نشده اند.
به عنوان مثال، رمزگذاری داده ها بر روی DNA و سپس استخراج دوباره اطلاعات از آن، منابع پیشرفته‌ای از فناوری را می‌طلبد و به همین دلیل، به عنوان یک راه حل برای ذخیره‌سازی انرژی بسیار گران است. علاوه بر این، روش فعلی استفاده شده برای خواندن داده‌ها در DNA که به PCR معروف است، می‌تواند با خطاهایی همراه باشد و همچنین ممکن است رشته DNA که داده در آن ذخیره شده است را تخریب کند.
آنچه در PCR اتفاق می افتد این است که اگر شما نیاز به خواندن فایل خاصی دارید که روی DNA ذخیره شده است، از یک همپایه(primer) منطبق برای جستجوی گوپ و اتصال به رشته DNA مورد نیاز استفاده می شود. سپس این DNA میلیون ها بار کپی می شود تا سیستم بتواند آن را پیدا کرده و فایل را بخواند.
مشکل این است که هر باری که داده را می‌خوانید، فرآیند خواندن، کیفیت DNA اصلی را تخریب می‌کند. این تبدیل به چالشی برای خواندن چندین فایل به طور همزمان می‌شود. علاوه بر این، اگر بخواهید همزمان چندین فایل را بخوانید، نیاز به چندین جفت همپایه برای انجام کار خود در همان زمان خواهید داشت. این مسئله باعث ایجاد بسیاری از خطاها در فرآیند کپی می‌شود.
استفاده از میکروکپسول های DNA برای ذخیره سازی امن تر داده ها
تام دگریف و تیمش در مطالعه خود، یک روش PCR مختصر شده با نام thermo-confined پیشنهاد داده‌اند. این تکنیک جدید وعده می‌دهد که مشکلاتی که دانشمندان با PCR معمولی روبرو هستند را حل کند. نویسندگان میکروکپسول‌هایی از پروتئین و پلیمر ساخته‌اند که به عنوان فایل‌های DNA تقسیم کننده عمل می‌کنند.
هر میکروکپسول به یک فایل داده متصل شده است. علاوه بر این، به گونه‌ای طراحی شده‌اند که هنگامی که بسیاری از میکروکپسول‌ها در دمایی بالاتر از ۵۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شوند، هر یک از این کپسول‌ها خود را محکم می‌بندد.
این امر باعث می‌شود که فرایند PCR به طور مستقل در هر کپسول انجام شود و فضای بسیار کمی برای خطا باقی بماند. هنگامی که دما نرمال می‌شود ، فایل اصلی به کپسول متصل می‌ماند ، اما فایل‌های کپی شده آن را ترک می‌کنند. این باعث می‌شود که اطلاعات اصلی و DNA از فرسایش حفظ شوند.
با این حال ، در روش ذخیره‌سازی DNA استاندارد و بدون قسمت‌بندی ، PCR به صورت جداگانه برای هر فایل انجام نمی شود و به همین دلیل باعث تخریب اطلاعات و خطا در کپی شدن می‌شود.
نویسندگان از روش نوآورانه خود برای خواندن همزمان 25 فایل ذخیره شده در DNA جداره‌بندی شده استفاده کردند. نتایج مثبت و غیرمنتظره بودند. در حین توضیح نتایج آزمایش، گریف گفت: در حال حاضر پس از سه بار خواندن با این روش جدید، 0.3 درصد اطلاعات را از دست دادیم، در حالی که این مقدار با روش فعلی 35 درصد است.
این مطالعه نشان می‌دهد که این کپسول‌ها همچنین با استفاده از برچسب‌های فلورسانس، قابل رنگ‌آمیزی هستند. این امر باعث می‌شود جستجو و مرتب‌سازی اطلاعات در کتابخانه‌های بزرگ داده DNA آسان شود. گریف اضافه کرد : اکنون تنها مسأله صبر برای این است که هزینه سنتز DNA به مراتب کاهش یابد. در این صورت، این تکنیک برای کاربرد آماده خواهد بود.
مزایای ذخیره سازی DNA نسبت به مراکز داده
انسان‌ها هر روز بیش از 2 × 1018 بایت داده تولید می‌کنند. هر پست شما، جستجوی گوگل، وبلاگ و آپلود شما به داده‌های جدیدی منجر می‌شود و همه این داده ها در مراکز داده واقع در سراسر جهان ذخیره می شود.
مراکز داده، ابزار و امکانات بزرگی هستند که شامل تعداد زیادی سرور داده‌ای هستند. آنها یک سطح بسیار بزرگ را پوشش می‌دهند و به طور مداوم مصرف برق بالایی دارند. نویسندگان مطلب مدعی هستند که با استفاده از DNA، می توان هم زمین و هم مصرف برق مورد نیاز برای ذخیره سازی داده را کاهش داد.
این به دلیل این است که DNA چگالی ذخیره‌سازی بالایی دارد؛ یک گرم DNA کافیست تا بتوان حجم داده بالغ بر 215 میلیون گیگابایت را ذخیره کرد. طبق یک برآورد، کل داده‌هایی که بشر تاکنون تولید کرده است، می‌تواند در قطعات DNA در یک اتاق نگهداری شود.
در حالی که سرورهای داده فعلی باید به موقع ارتقاء داده شوند و فقط می توانند داده ها را برای 10، 20 یا 50 سال حفظ کنند، DNA می تواند محتوای شما را برای میلیون ها سال دست نخورده نگه دارد. همچنین، DNA قابلیت نگهداری در امکاناتی را دارد که در مقایسه با سرورهای داده، نیاز به توان و انرژی بسیار پایینی دارند.
تمامی این عوامل باعث می‌شود ذخیره‌سازی DNA یک تکنولوژی بسیار امیدوار‌کننده باشد. امیدواریم پژوهش‌های بیشتر باعث کاهش هزینه سنتز DNA شده و این رویکرد به واقعیت تبدیل شود.
این مطالعه در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است
