ذخیره سازی اطلاعات بر روی DNA
بشریت در حال ایجاد اطلاعات با سرعت بی سابقه ای است – حدود 16 Zettabytes هر سال (یک Zettabyte یک میلیارد ترابایت است). و این نرخ رو به افزایش است. سال گذشته ، گروه تحقیقاتی IDC محاسبه كرد كه ما تا سال 2025 ، ما سالانه بیش از 160 Zettabytes تولید خواهیم كرد.تمام این داده ها باید ذخیره شوند و در نتیجه ما به حافظه متراکم تر از آنچه که امروز داریم احتیاج داریم.یک راه حل جالب بهره برداری از ساختار مولکولی DNA است.
محققان از مدتها قبل می دانستند كه از DNA برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود.
آنچه برای دانشمندان رایانه قابل توجه است ، تراکم داده هایی است که DNA ذخیره می کند: یک گرم DNA می تواند یک zettabyte را در خود نگه دارد.
همچنین اگر بخواهیم تنها یک گرم از DNA انسان را روی سی دی بارگذاری کنیم به 600 میلیارد عدد سی دی نیاز خواهیم داشت.
اما هیچ کس برای ذخیره داده ها در یک کتابخانه DNA به یک سیستم واقع بینانه نرسیده است تا در صورت لزوم دوباره آن را بازیابی کند.
امروز به لطف کار Federico Tavella در دانشگاه Padua در ایتالیا و همکارانش این موضوع تغییر کرده است ، که دقیقاً چنین تکنیکی را بر اساس نانولوله های باکتریایی طراحی و آزمایش کرده اند.
اصل ساده است. باکتری ها اغلب اطلاعات ژنتیکی را به صورت حلقه های دایره ای ریز از DNA دو رشته ای به نام پلاسمیدها حمل می کنند. این مولکول ها از اهمیت بالایی برخوردار هستند زیرا اغلب آنها مزیت خاصی را به سلول میزبان منتقل می کنند ، مانند مقاومت آنتی بیوتیکی.
از نظر حیاتی ، باکتریها می توانند پلاسمیدها را از سلول به سلول دیگر در فرایندی که به نام conjugation معروف است منتقل کنند. این روشی است که باکتری ها اطلاعات ژنتیکی را مبادله می کنند و این فرایند یک کارخانه نانوذرات به طرز خارق العاده ای را در طبیعت تشکیل می دهد.
این اساس تکنیک جدید است. Tavella و همكاران می خواهند از این نانومتر استفاده كنند تا اطلاعاتی را كه از نظر ژنتیك در پلاسمیدها ساخته شده اند ، منتقل كنند.
مطالب مرتبط : ذخیره فیلم روی شیشه توسط مایکروسافت
ایده این است که داده ها را در پلاسمیدها درون سلول های باکتریایی که در یک مکان خاص به دام افتاده اند ، ذخیره کنیم. محققان برای بازیابی این اطلاعات باکتری های حرکتی را به این محل می فرستند ، جایی که با باکتری های به دام افتاده ترکیب شده و پلاسمیدهای حامل داده را ضبط می کنند. سرانجام ، باکتریهای حرکتی این اطلاعات را به دستگاهی منتقل می کنند که پلاسمیدها را استخراج می کند و داده های آنها را می خواند.
Tavella و همكاران حتی با استفاده از دو سویه مختلف E. coli — HB101 و Novablue a كه در برابر آنتی بیوتیك های مختلف مقاوم هستند ، آزمایشات مختلفی انجام داده اند. HB101 در برابر استرپتومایسین مقاوم است ، در حالی که Novablue دارای پلاسمیدهای مقاوم در برابر تتراسایکلین است. Novablue می تواند با انتقال این پلاسمیدها در حین اتصال ، این مقاومت را به HB101 منتقل کند.
این به تیم کنترل می دهد که باکتری ها در کجا می توانند رشد کنند.
بنابراین حافظه نمونه اولیه شامل یک ناحیه ذخیره سازی داده ، یک خواننده داده و یک کانال انتقال داده است که آنها را به هم متصل می کند. محققان برای ذخیره داده ها ، پیام ساده ای را در پلاسمیدهای مقاوم در برابر تتراسایکلین که توسط باکتری های Novablue انجام شده بود ، رمزگذاری کردند. با رعایت سنت ، پیام “سلام جهان” . آنها همچنین حاوی یک رنگ فلورسنت در پلاسمید هستند تا بتوانند بر حرکت آن نظارت داشته باشند.
برای شروع ، باکتری های Novablue در منطقه ذخیره سازی داده ها قرار می گیرند ، جایی که آنها نمی توانند فرار کنند. در واقع، آنجا یک سطح صاف از کانال آگار سخت است که برای تحرک باکتریایی مناسب نیست.
کانال انتقال داده از منبع باکتری HB101 در منطقه ذخیره داده و سپس به سمت خواننده داده اجرا می شود. این شامل کانال آگار نرم است که برای تحرک باکتری ها مناسب است. و از آنجا که HB101 در برابر استرپتومایسین مقاوم است ، می تواند با سهولت نسبی از طریق این کانال حرکت کند.
با این حال ، بین منطقه ذخیره داده و خواننده داده سرشار از تتراسایکلین و همچنین استرپتومایسین است و این مانع از عبور هر دو باکتری در اطراف آن می شود.
آنچه اتفاق می افتد مهم است. باکتری HB101 به منطقه ذخیره داده می رود ، با باکتری های Novablue ترکیب می شوند و پلاسمیدهای حاوی داده را انتخاب می کنند.
اما این همچنین مقاومت تتراسایکلین را به آنها می دهد و این بدان معنی است که وقتی آنها داده ها را برداشتند ، می توانند از طریق کانال به خواننده داده سفر کنند. محققان سپس پلاسمیدها را استخراج کرده و داده ها را می خوانند – “سلام جهانی”.
آنها می توانند به لطف رنگ فلورسنت نحوه گردش اطلاعات در این شبکه را مشاهده کنند.
دقیقاً سریع نیست: باکتری HB101 حدود 72 ساعت طول می کشد تا از طریق کانال آگار عبور کند. بنابراین نرخ داده ها مانند سرعت حلزون هستند. اما این آزمایش نشان می دهد که چگونه بایگانی داده های DNA می تواند در اصل کار کند.
یک عنصر مهم دیگر از بایگانی داده ها وجود دارد. در چنین سیستمی مکانهای ذخیره داده زیادی وجود خواهد داشت و هرکدام باید آدرس دهند. به عبارت دیگر ، باید راهی پیدا شود که باکتریهای انتقال داده بتوانند هر مکان را پیدا کنند.
Tavella و همكاران نیز در این مورد پاسخی دارند: یك سیستم موقعیت یابی مولكولی كه مشابه سیستم موقعیت یابی جهانی است را پیشنهاد دادند که متکی به چراغهایی است که هر یک ماده شیمیایی را آزاد می کند که باعث جذب باکتری ها می شود. در واقع ، باکتری ها می توانند برای پیگیری این مسیرهای شیمیایی مهندسی شوند.
سپس با سه مسیر مختلف شیمیایی می توان موقعیت را در فضا مثلث بندی کرد. هنگامی که باکتری های متحرک هر سه مسیر را دنبال می کنند ، در محلی که همه سه سیگنال شیمیایی با هم همپوشانی دارند ، به پایان می رسند. محققان می گویند ، در شبیه سازی ها ، این فرایند خوب عمل می کند ، اما آنها هنوز در آزمایشگاه آزمایش نکردند.
با این وجود ، کار گامی جالب در جهت ذخیره سازی داده های مبتنی بر DNA است. “راه حل ما اجازه می دهد تا اطلاعات رمزگذاری شده دیجیتالی در باکتری های غیر متحرک ، که یک معماری بایگانی خوشه ها را تشکیل می دهند ، ذخیره شوند ، و بعداً توسط باکتری های حرکتی مهندسی شده ، هر زمان که عملیات خواندن لازم باشد ، بازیابی شوند.”
و آزمایش اثبات اصل نشان می دهد که چگونه این امر می تواند مؤثر باشد. آنها گفتند: “ما آزمایش های آزمایشگاهی را انجام داده ایم که نشان می دهد که چگونه نانولوله های باکتریایی می توانند با استفاده از باکتری های غیر حرکتی یک پیام ساده مانند” سلام جهان “را بازیابی کنند و در نهایت به یک نقطه نهایی برسند.
البته چالش های زیادی در پیش است. سیستم موقعیت یابی مولکولی جالب است اما باید در آزمایشگاه آزمایش شود تا ببینند چقدر متنوع و کاربردی می تواند باشد و نرخ داده ها باید افزایش پیدا کنند. افزایش سرعت سفر باکتری ها امکان پذیر نیست ، اما می توان با افزایش مقدار داده های هر پلاسمید ، میزان را به میزان قابل توجهی بهبود داد.
منبع : arxiv– technologyreview
