علماء يخزنون ويسترجعون ملفات صور على الحمض النووي

في منتصف الثمانينات من القرن الماضي تسارعت وتيرة التطور العلمي و التكنولوجي. كان من اهم ثمارها تطوير تقنيات تخزين البيانات كبيرة الحجم على ادوات تخزينية ذات سعة عالية مثل القرص المضغوط CD. فسارعت كثير من الشركات مثل سوني و ميكروسوفت و ابل لتطوير هذه التقنية. في الصورة بيل غيتس موضحا كم البيانات التي يستطيع ان يستوعبها قرص مضغوط.

‏"هذا القرص المضغوط، يمكن أن يخزن معلومات أكثر من كل الورق الموجود تحتي" - بيل غيتس وهو يروج للقرص المضغوط في عام 1994

في الاعوام اللاحقة، تركزت ابحاث العلماء على تطوير اجهزة ذات قدرات تخزينية و تحليليلة اكبر مثل السوبر كمبيوتر المسمى بتايتن. تم الانتهاء من تطويره عام 2011 و استمر في العمل الى نهاية السنة الماضية، يمتاز تايتن بانه كمبيوتر هجين ذو قدرة تخزينية تصل الى 40 بيتا بايت (10¹⁵ bytes) او 40 مليون غيغا بايت و ذاكرة تصل الى 693.5 TiB و تكون من 299,008 معالجا. هذه بعض من المشاريع التي ساهم فيها:

كل هذا قاد الى عدة اسئلة مهمة، ما القدرة التخزينية لجزي DNA في جسم الكائن الحي، هل يمكن ان نستخدم النيوكليوتيدات بنفس نظام 01.
الاجابة، كانت بنعم يمكن استخدام ذلك، و قدر العلماء قدرة DNA التخزينية بحوالي 215 مليون غيغا بايت، اي انها 5 أضعاف قدرة تايتن.

في هذه المقاله نتعرف على احد الأبحاث حول تخزين و استرجاع الصور من على الحمض النووي. المقاله ليست بحديثة لكنها تمثل الاساس لعمليات تشفيرو ضغط البيانات على الحمض النووي. عام النشر 2016.

قام فريق من العلماء ومهندسي الكمبيوتر بتحقيق سابقةٍ بارزة: تخزين واسترجاع أربعة ملفات صور على الحمض النووي. هذا يعني تخزين أكثر من عشرة آلاف جيجابايت في تكتل بحجم رأس الدبوس من جزيئات الحمض النووي، مقلّصاً حجم مراكز البيانات مليون ضعف.

تسخير قوة الجينات

تخيلوا مراكز بيانات ضخمةً ومزارع خوادم تحتاج أفدنة بأكملها، تأرشف عدداً لا يحصى من البيانات لتخزنها بعيداً في "سحابة" أو ترسلها لتبحر عبر الإنترنت ... تخيلوا ذلك، وقد اعتقدتم مسبقاً أنّ لديكم فكرة رائعة جداً للحالة الراهنة لتخزين المعلومات. يتم تخزين الأفلام والصور والكتب ورسائل البريد الإلكتروني- ثروتنا من المعلومات الرقمية البشرية في هذه الصروح الإلكترونية العملاقة.

الآن تخيلوا أن نفس المركز هائل الحجم للبيانات يمكن أن يسعه سطح مكتبك، مع كل تلك المعلومات مقسمة بأمان ومخزنة على نفس الجزيئات التي تملي بيتنا الوراثية.

قد يبدو هذا بعيد المنال، ولكن حقق علماء الكمبيوتر والهندسة الكهربائية من جامعة واشنطن ومايكروسوفت ذلك -  أو على الأقل الخطوة الأولى نحو تحقيق ذلك.

ويوضح لويس كيز، المؤلف المشارك في الورقة البحثية التي تصف بحثهم، "الجزيء الرائع الذي يسمى الحمض النووي، يخزن بكفاءة جميع أنواع المعلومات حول الجينات وكيف يعمل نظام حي – وهي صغير جداً وقوي للغاية".

10000 جيجابايت من المعلومات - تعادل الأفلام ، الصور، الملفات، ورسائل البريد الإلكتروني التي يمكن أن يحتويها 600 هاتف ذكي – يمكن احتواؤها داخل قطرة صغيرة من الحمض النووي في أنبوب الاختبار في الصورة.

الكمبيوترات الأصغر

على عكس أدوات التخزين والأقراص الصلبة المستخدمة حالياً، يمكن لجزيئات الحمض النووي تخزين كمياتٍ مماثلة من المعلومات بكثافة أعلى بملايين الأضعاف؛ وفي حين أن وسائل حفظ المعلومات الأخرى تتحلل بسرعة كبيرة، يمكن للحمض النووي أن يستمر لمئات الآلاف من السنين.

ومع ذلك، فإن المشكلة هي ذات شقين: 

* أولاً، كيفية تحويل المعلومات الرقمية الثنائية (الآحاد والأصفار) إلى شكل الحمض النووي الرباعي (القواعد النيتروجينية الأدنين، الجوانين، السيتوسين، والثايمين)؛ وتم التغلب على هذا عن طريق تفتيت البيانات الرقمية إلى قطع وتسجيلها في جزيئات الحمض النووي والتي يمكن أن تجفيفها لسهولة التخزين.

* أما المشكلة الثانية هي كيفية استرداد هذه المعلومات المشوهة، بتطبيق أساليب تعلموها في مجال الإلكترونيات، استخدم الفريق ذاكرة "الإتاحة العشوائية" لإعادة تجميع البيانات -  في الأساس وضع علامة في تسلسل الحمض النووي تحمل "عنوان" باستخدام تقنية شائعة تسمى تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR)، ومن ثمّ يمكن استرجاع التسلسل المطلوب من بحر شاسع من الحمض النووي العشوائي.

تمكن الفريق من تخزين واسترجاع أربعة ملفات صور على قصاصات حمض نووي اصطناعية، مما يثبت صحة المفهوم؛ تبدو الفكرة منطقية - الآن كل ما هو مطلوب هو الاستثمار المالي اللازم للتغلب على مشاكل توليف الحمض النووي السريع والتسلسل لجعل النظام يعمل.

الإلكترونيات تبدو عتيقة، المستقبل هو للحوسبة الحيوية.

و لكم أن تتخيلوا أيضا ماذا يمكن أن يحدث إذا تم دمج الحوسبة الكمومية مع الحيوية؟