أظهر باحثون من مايكروسوفت وجامعة واشنطن أول نظام تخزين بيانات مؤتمت بالكامل وقابل للقراءة للحمض النووي المنشأ بشكل مصطنع. وهذه خطوة أساسية نحو نقل التكنولوجيا الجديدة من مختبرات الأبحاث إلى مراكز البيانات التجارية.
أثبت المطورون هذا المفهوم باختبار بسيط: نجحوا في تشفير كلمة "hello" إلى أجزاء من جزيء الحمض النووي الاصطناعي وتحويلها مرة أخرى إلى بيانات رقمية باستخدام نظام آلي بالكامل من طرف إلى طرف، والذي تم وصفه في ، نُشرت في 21 مارس في مجلة Nature Scientific Reports.
يمكن لجزيئات الحمض النووي تخزين المعلومات الرقمية بكثافة عالية جدًا، أي في مساحة مادية أصغر بكثير من تلك التي تشغلها مراكز البيانات الحديثة. إنه أحد الحلول الواعدة لتخزين الكم الهائل من البيانات التي يولدها العالم كل يوم، بدءًا من السجلات التجارية ومقاطع الفيديو الخاصة بالحيوانات اللطيفة وحتى الصور الطبية والصور من الفضاء.
تستكشف Microsoft طرقًا لسد الفجوة المحتملة بين ونريد أن نحافظ عليها، وقدرتنا على الحفاظ عليها. وتشمل هذه الأساليب تطوير الخوارزميات وتقنيات الحوسبة الجزيئية . وهذا من شأنه أن يسمح لجميع المعلومات المخزنة في مركز بيانات حديث كبير بأن تتناسب مع مساحة بحجم عدة قطع من حجر النرد تقريبًا.
"هدفنا الرئيسي هو إطلاق نظام يبدو للمستخدم النهائي تقريبًا مثل أي نظام تخزين سحابي آخر: يتم إرسال المعلومات إلى مركز البيانات وتخزينها هناك، ثم تظهر ببساطة عندما يحتاجها العميل، " يقول الأب الباحث في مايكروسوفت كارين شتراوس. "وللقيام بذلك، كنا بحاجة إلى إثبات أن الأمر منطقي عمليًا من منظور الأتمتة."
يتم تخزين المعلومات في جزيئات الحمض النووي الاصطناعية التي تم إنشاؤها في المختبر، وليس في الحمض النووي للبشر أو الكائنات الحية الأخرى، ويمكن تشفيرها قبل إرسالها إلى النظام. على الرغم من أن الآلات المعقدة مثل أجهزة التوليف وأجهزة التسلسل تؤدي بالفعل أجزاء رئيسية من العملية، إلا أن العديد من الخطوات الوسيطة تتطلب حتى الآن عملاً يدويًا في مختبر الأبحاث. وقال كريس تاكاهاشي، الباحث البارز في كلية بول ألين لعلوم وهندسة الكمبيوتر بجامعة جنوب فلوريدا: "إنها ليست مناسبة للاستخدام التجاري".).
وأوضح تاكاهاشي: "لا يمكن أن يكون لديك أشخاص يركضون حول مركز البيانات باستخدام الممصات، فهو عرضة جدًا للخطأ البشري، وهو مكلف للغاية ويستهلك مساحة كبيرة جدًا".
لكي تكون طريقة تخزين البيانات هذه منطقية تجاريًا، يجب تقليل تكاليف تخليق الحمض النووي -أي إنشاء اللبنات الأساسية لتسلسلات ذات معنى- وعملية التسلسل اللازمة لقراءة المعلومات المخزنة. يقول الباحثون أن هذا هو الاتجاه .
تعتبر الأتمتة جزءًا رئيسيًا آخر من اللغز، حيث تجعل تخزين البيانات على نطاق تجاري وبأسعار معقولة، وفقًا لباحثي مايكروسوفت.
في ظل ظروف معينة، يمكن أن يستمر الحمض النووي لفترة أطول بكثير من أنظمة تخزين الأرشيف الحديثة، والتي تتحلل على مدى عقود. لقد تمكن بعض الحمض النووي من البقاء في ظروف غير مثالية لعشرات الآلاف من السنين، في أنياب الماموث وفي عظام البشر الأوائل. وهذا يعني أنه يمكن تخزين البيانات بهذه الطريقة طالما أن البشرية موجودة.
يستخدم نظام تخزين الحمض النووي الآلي برنامجًا طورته شركة Microsoft وجامعة واشنطن (UW). فهو يحول الآحاد والأصفار من البيانات الرقمية إلى تسلسلات من النيوكليوتيدات (A وT وC وG)، والتي تعتبر "اللبنات الأساسية" للحمض النووي. يستخدم النظام بعد ذلك معدات مختبرية غير مكلفة، ومعظمها جاهزة للاستخدام، لتزويد السوائل والكواشف اللازمة للمُركِّب، الذي يجمع أجزاء الحمض النووي المصنعة ويضعها في حاوية تخزين.
عندما يحتاج النظام إلى استخراج المعلومات، فإنه يضيف مواد كيميائية أخرى لإعداد الحمض النووي بشكل صحيح ويستخدم مضخات ميكروفلويديك لدفع السوائل إلى أجزاء من النظام التي تقرأ تسلسل جزيئات الحمض النووي وتحولها مرة أخرى إلى معلومات يمكن للكمبيوتر فهمها. ويقول الباحثون إن الهدف من المشروع لم يكن إثبات أن النظام يمكن أن يعمل بسرعة أو بتكلفة زهيدة، ولكن ببساطة إظهار أن الأتمتة ممكنة.
إحدى الفوائد الأكثر وضوحًا لنظام تخزين الحمض النووي الآلي هو أنه يتيح للعلماء حل المشكلات المعقدة دون إضاعة الوقت في البحث عن زجاجات الكواشف أو رتابة إضافة قطرات من السائل إلى أنابيب الاختبار.
وقال الباحث في مايكروسوفت بهلين نغوين: "إن وجود نظام آلي للقيام بالعمل المتكرر يسمح للمختبرات بالتركيز بشكل مباشر على البحث وتطوير استراتيجيات جديدة للابتكار بشكل أسرع".
فريق من مختبر نظم المعلومات الجزيئية لقد أثبتت (MISL) بالفعل أنها تستطيع تخزين صور القطط، والأعمال الأدبية الرائعة، وأرشفة سجلات الحمض النووي واستخراج هذه الملفات دون أخطاء. حتى الآن، تمكنوا من تخزين 1 غيغابايت من البيانات في الحمض النووي .
كما طور الباحثون طرقًا ل مثل العثور على الصور التي تحتوي على تفاحة أو دراجة خضراء فقط واسترجاعها باستخدام الجزيئات نفسها، دون تحويل الملفات مرة أخرى إلى تنسيق رقمي.
"من الآمن أن نقول إننا نشهد ولادة نوع جديد من أنظمة الكمبيوتر، حيث تُستخدم الجزيئات لتخزين البيانات والإلكترونيات للتحكم والمعالجة. وقال أستاذ مدرسة ألين بجامعة واشنطن: "إن هذا المزيج يفتح إمكانيات مثيرة للاهتمام للغاية للمستقبل". .
على عكس أنظمة الحوسبة القائمة على السيليكون، يجب أن تستخدم أنظمة التخزين والحوسبة القائمة على الحمض النووي السوائل لتحريك الجزيئات. لكن السوائل تختلف بطبيعتها عن الإلكترونات وتتطلب حلولاً تقنية جديدة تمامًا.
ويعمل فريق جامعة واشنطن، بالتعاون مع مايكروسوفت، أيضًا على تطوير نظام قابل للبرمجة يعمل على أتمتة التجارب المعملية باستخدام خصائص الكهرباء والماء لتحريك القطرات على شبكة من الأقطاب الكهربائية. مجموعة كاملة من البرامج والأجهزة تسمى ، يمكنه خلط السوائل المختلفة أو فصلها أو تسخينها أو تبريدها وتنفيذ البروتوكولات المخبرية.
الهدف هو أتمتة التجارب المعملية التي يتم إجراؤها حاليًا يدويًا أو بواسطة روبوتات باهظة الثمن للتعامل مع السوائل وخفض التكاليف.
تشمل الخطوات التالية لفريق MISL دمج نظام آلي بسيط وشامل مع تقنيات مثل Purple Drop، بالإضافة إلى التقنيات الأخرى التي تتيح البحث عن جزيئات الحمض النووي. لقد تعمد الباحثون جعل نظامهم الآلي معياريًا بحيث يمكن أن يتطور مع ظهور تقنيات جديدة لتخليق الحمض النووي وتسلسله ومعالجته.
وقال نجوين: "إحدى فوائد هذا النظام هي أننا إذا أردنا استبدال أحد الأجزاء بشيء جديد أو أفضل أو أسرع، فيمكننا فقط توصيل الجزء الجديد". "وهذا يمنحنا المزيد من المرونة للمستقبل."
الصورة العليا: قام باحثون من مايكروسوفت وجامعة واشنطن بتسجيل وإحصاء كلمة "مرحبا"، وذلك باستخدام أول نظام آلي بالكامل لتخزين بيانات الحمض النووي. وهذه خطوة أساسية في نقل التكنولوجيا الجديدة من المختبرات إلى مراكز البيانات التجارية.
المصدر: www.habr.com