تحولی در ذخیره سازی داده ها: تکنیک چاپ DNA چگونه آینده داده ها را متحول می نماید؟
به گزارش دنیای با نشاط مدرسه، مقدمه: DNA، حافظه ای طبیعی و شگفت انگیز
همه ما می دانیم که تکنولوژی ذخیره سازی داده های دیجیتال روزبه روز پیشرفته تر می گردد، اما با وجود تمامی این پیشرفت ها، هنوز هیچ چیز به مقدار DNA، سیستم طبیعی ذخیره اطلاعات، کارآمد نیست. DNA که به عنوان پایه ای ترین کد حیات شناخته می گردد، می تواند حجم عظیمی از داده ها را در فضای بسیار کوچکی ذخیره کند. پژوهشی تازه توانسته است از این ساختار شگفت انگیز الهام گرفته و روشی نوآورانه برای ذخیره سازی داده ها ابداع کند: چاپ DNA. این روش، فرآیند ذخیره سازی را چنان ساده می نماید که تقریباً هر کسی قادر به استفاده از آن خواهد بود.
چرا DNA یک ابزار ذخیره سازی ایده آل است؟
DNA از دیرباز به عنوان فشرده ترین رسانه ذخیره اطلاعات شناخته شده است. برآوردها نشان می دهد که تنها یک سانتی متر مکعب از DNA می تواند بیش از 10 میلیارد گیگابایت داده را ذخیره کند. علاوه بر این، اگر DNA در شرایط مناسب نگهداری گردد، می تواند هزاران تا حتی میلیون ها سال دوام بیاورد. این ویژگی، DNA را به گزینه ای فوق العاده برای ذخیره سازی بلندمدت و آرشیوی تبدیل نموده است.
اما چالش اصلی این است: خواندن اطلاعات از DNA سریع و کارآمد است، اما فرآیند نوشتن اطلاعات بر روی آن، بسیار زمان بر و سخت است. روش های سنتی کدگذاری داده ها در DNA به صورت تک به تک و به ترتیب بازهای DNA (GCAT) انجام می شد. این فرآیند شبیه به نخ کردن مهره ها در یک رشته بود که با توجه به حجم بزرگ داده های امروزی، بسیار کند بود. تکنیک نو چاپ DNA این مشکل را حل نموده است.
تکنیک چاپ DNA چگونه کار می نماید؟
1. آجرهای DNA
در این روش، محققان مجموعه ای از 700 آجر DNA (DNA Bricks) ایجاد نموده اند. هر آجر شامل 24 باز (Bases) است و این آجرها مانند حروف متحرک در چاپخانه عمل می نمایند. این آجرها بر اساس ترتیب موردنظر برای کدگذاری داده ها چیده می شوند.
2. کدگذاری با نشانگرهای شیمیایی
برای ساده سازی فرآیند، داده ها به صورت کد دودویی (Binary Code) ذخیره می شوند، نه کد سنتی GCAT. در این حالت، بعضی آجرهای DNA دارای نشانگرهای شیمیایی خاصی به نام گروه های متیل (Methyl Groups) هستند که عدد یک را نشان می دهند. آجرهای بدون نشانگر به عنوان صفر کدگذاری می شوند.
3. فرآیند چاپ
وقتی رشته DNA خالی (Template) آماده باشد، آجرهای کدگذاری شده به آن متصل می شوند. سپس یک آنزیم خاص، اطلاعات نشانگرهای شیمیایی را بر روی رشته قالب کپی می نماید. این فرآیند به طور هم زمان 350 بیت داده را در هر واکنش ذخیره می نماید، در حالی که روش های قدیمی تنها می توانستند یک بیت را در هر لحظه ذخیره نمایند.
4. خواندن داده ها
پس از کدگذاری، داده ها با استفاده از دستگاه های پیشرفته نانـوپور (Nanopore Sequencing) خوانده می شوند. این دستگاه الگوی نشانگرها (صفر و یک ها) را می خواند و فایل دیجیتال اصلی را بازسازی می نماید.
موارد آزمایشی و نتایج
ذخیره تصاویر پیچیده
این روش با ذخیره تصاویری آزمایش شد که داده های بسیار زیادی داشتند. به عنوان مثال، تصویری 16,833 بیتی از یک حکاکی باستانی چینی از یک ببر و تصویری 252,500 بیتی از یک پاندا ذخیره شد. پس از تنظیمات نهایی، تمام داده ها با دقت 100 درصد بازیابی شدند.
آزمایش کاربران غیرعلمی
در آزمایشی دیگر، 60 نفر که هیچ تخصص علمی نداشتند، با استفاده از نرم افزار iDNAdrive متن هایی را به مجموع 5,000 بیت کدگذاری کردند. این داده ها با دقت 98.58 درصد بازیابی شدند، که نشان دهنده ساده و قابل دسترس بودن این روش است.
الهام از تاریخ: DNA، نسخه مدرن چاپ متحرک
این تکنیک از ایده چاپ متحرک (Movable Type Printing) الهام گرفته است. در گذشته، اختراع چاپ متحرک به انسان ها اجازه داد که متون را به سرعت و در مقیاس وسیع چاپ نمایند. در روش نو نیز آجرهای DNA نقش همان حروف چاپخانه را دارند. نشانگرهای شیمیایی مانند جوهر عمل می نمایند و رشته های قالب (DNA Template) به عنوان کاغذ استفاده می شوند.
کاربردهای بالقوه و آینده DNA در ذخیره سازی داده ها
این روش می تواند کاربردهای بسیاری داشته باشد، از ذخیره سازی آرشیوهای بلندمدت و حفظ میراث فرهنگی گرفته تا استفاده در ذخیره اطلاعات حساس مانند داده های علمی و پزشکی. با سرعت بالا، هزینه پایین تر و سادگی این فرآیند، DNA می تواند به رسانه ای رایج برای ذخیره داده ها تبدیل گردد.
از همه مهم تر، این فناوری امکان استفاده از DNA را برای کاربران عادی نیز فراهم می نماید، و شاید در آینده ای نه چندان دور، هر فرد بتواند اطلاعات خود را در رشته های DNA ذخیره کند.
منبع: یک پزشک