ذخیره ساز تصاویر دیجیتالی در DNA و بازیابی کامل آن ها

به گزارش کلیک، یک تحقیق جدید که توسط دانشگاه واشنگتن و محققان مایکروسافت انجام شد می تواند فضای مورد نیاز برای ذخیره سازی این داده های دیجیتالی را کاهش دهد و می تواند یک فروشگاه بزرگ را به اندازه یک دانه شکر در بیاورد.
گروهی از محققان کامپیوتر و مهندسان برق، یکی از اولین و کامل ترین سیستم ها را برای رمز گذاری، ذخیره و بازیابی داده ها با استفاده از مولکول های DNA شرح داده اند که می تواند میلیون ها بار بیشتر از فناوری های مربوط به بایگانی تصاویر اطلاعات را در خود ذخره کند.
در آزمایشی که در قالب یک مقاله در کنفرانس بین المللی معماری برای پشتیبانی زبان های برنامه نویسی و سیستم عامل ACM در ماه آوریل مطرح شد، این تیم با موفقیت داده های دیجیتالی چهار قابل تصویری را در توالی نوکلئوتید قطعات مصنوعی DNA رمزگذاری کردند.

مهمتر از همه اینکه آن ها قادر بودند تمام این فرآیند را برعکس کنند. بازیابی توالی صحیح از استخر بزرگی از DNA و بازسازی تصاویر بدون اینکه حتی کوچکترین قسمت اطلاعات از دست برود.
تیم مذکور همچنین داده هایی که فایل های ویدیویی قابل بایگانی را از صوت های UW پروژه دادرسی روآندا که شامل مصاحبه هایی با قضات، وکلا و دیگر پرسنل پروژه دادرسی جنایت جنگی روآندا بود تصدیق می کرد را کدگذاری کردند.
لویس سیز به عنوان نویسنده همکار و استادیار علوم کامپیوتر و مهندسی UW گفت: زندگی، مولکولی شگفت انگیز به نام DNA را به ما ارزانی داشته که بطور موثری تمام اطلاعات مربوط به ژن ها و روش کار سیستم زنده را در خود ذخیره کرده است. این مولکول بسیار فشرده و با دوام است.
ما با این روش هدف این مولکول را تغییر داده و می توانیم از آن به روشی قابل کنترل برای ذخیره داده های دیجیتالی (تصاویر، ویدئوها و مدارک) برای صدها یا هزاران سال استفاده کنیم.
انتظار می رود حجم دنیای دیجیتالی تا سال ۲۰۲۰ به ۴۴ تریلیون گیگابایت برسد. این یک افزایش ده برابری در مقایسه با سال ۲۰۱۳ است؛ این مقدار داده بیش از شش پشته تبلت که بین فاصله زمین تا کره ماه قرار بگیرند را پر می کنند و این در حالی است که تمامی این اطلاعات نیاز به ذخیره کردن ندارند چرا که سرعت تولید داده در جهان سریع تر از ظرفیت ذخیره سازی آن ها است.
مولکول های DNA قادر به ذخیره اطلاعاتی میلیون ها برابر متراکم تر از فناوری های موجود برای ذخیره داده ها هستند. فناوری های موجود پس از چند سال یا چند دهه در معرض تخریب قرار می گیرند اما مولکول DNA قرن ها اطلاعات لازم را در خود جای می دهد.
این گروه از آزمایشگاه مولکولی سیستم های اطلاعات در ساختمان مهندسی برق UW در یک همکاری بسیار نزدیک با بخش تحقیقات مایکروسافت در حال توسعه یک سیستم ذخیره سازی مبتنی بر DNA است که انتظار می رود نیاز جهان را برای ذخیره حجم عظیم اطلاعات برطرف کند.
در ابتدا محققان روشی جدید برای تبدیل رشته ها طویل صفر و یک در داده های دیجیتالی به چهار بلوک ساختمانی اصلی توالی DNA ابداع کردند - آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین.
نویسنده همکار، استادیار علوم کامپیوتر و مهندسی UW، جرج سیلینگ گفت چگونگی رسیدن از صفر و یک به Aها، Cها، Gها و Tها حائز اهمیت است چراکه در صورت استفاده از یک روش هوشمند، می توانید متراکم سازی بیشتر انجام داده و اشتباهات کمتری بکنید اما اگر رسیدن از صفر و یک به Aها، Cها، Gها و Tها اشتباه انجام شود اشتباهات بسیاری رخ می دهد.
داده های دیجیتالی به بخش های کوچک تقسیم شده و با سنتز تعداد گسترده ای از مولکول های DNA کوچک ذخیره می شود که می تواند خشک شده یا به روش های دیگر از آن ها محافظت شود تا بتوانند اطلاعات را به مدت طولانی در خود جای دهند.
محققان مایکروسافت و UW یکی از دو گروه در کل جهان هستند که قابلیت "دست یابی تصادفی" را نشان دادند -شناسایی و بازیابی توالی های صحیح در استخری عظیم از مولکول های DNA، که شبیه به گردآوری مجدد یک فصل از یک کتاب از بین قفسه ای از کتاب های پاره است.
محققان همچنین برای دست یابی های آتی به داده های ذخیره شده، معادل کدهای پستی و آدرس خیابان ها را درون توالی DNA رمزگذاری کردند.
استفاده از تکنیک واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) اغلب در بیولوژی مولکولی مورد استفاده قرار می گیرد- به محققان کمک می کند راحت تر بتوانند کدهای پستی که به دنبال آن ها هستند را بیابند. سپس محققان با استفاده از تکنیک تعیین توالی DNA می توانند داده ها را خوانده و آن ها را با استفاده از آدرس خیابان ها به شکل فایل های ویدیویی، تصاویر یا مدارک بازگردانند.
در حال حاضر مانع اصلی برای ذخیره سازی مبتنی بر DNA، هزینه و راندمانی است که DNA توسط آن ها در مقیاس بزرگ سنتز (تولید) یا تعیین توالی (خوانده) می شود. اما در صورتی که مشوق های مناسب وجود داشته باشد هیچ گونه مانع فنی در این مسیر وجود ندارد.
پیشرفت در ذخیره سازی مبتنی بر DNA به تکنیک های راه گشا از سوی صنعت بیوتکنولوژی و همچنین ترکیب جدیدی از تخصص ها متکی است. برای مثال روش رمزگذاری این گروه از طرح های تصحیح خطا که معمولا در حافظه کامپیوتر استفاده می شود الهام گرفته شده است.
سیز بیان کرد ما چیزی را از طبیعت DNA برای ذخیره سازی اطلاعات الهام می گیریم.
کارین اشتراوس، محقق مایکروسافت و استادیار وابسته علوم کامپیوتر و برق درUW بیان کرد در واقع همین روش چند رشته ای این پروژه را جذاب کرده است. ما در حال یاری جستن از مجموعه رشته های مختلف برای عبور از مرزها هستیم که نتیجه آن ساخت یک سیستم ذخیره سازی اطلاعات با تراکم و سابقه بی نظیر خواهد بود.
سرمایه این تحقیق توسط بخش تحقیقات مایکروسافت، بنیاد ملی علوم و دیوید نوتکین تامین شد.
نویسندگان همکار شامل جیمز بورن هالت دانشجوی دکتری علوم کامپیوتر و مهندسی UW، راندولف لوپز دانشجوی دکتری مهندسی زیستی UW و دوگلاس کارمن معمار همکار در بخش تحقیقات مایکروسافت و استاد وابسته علوم کامپیوتر و مهندسی UW می باشد.

منبع:Science Daily