حافظه ژنتیکی

در آینده، بهترین کنسول فضایی نسل بعدی را می‌توان درون بدن ما انسان‌ها یافت. این بدان خاطر است که دی‌ان‌ای، در ذخیره‌سازی داده میلیون‌ها برابر بهینه‌تر از هارد درایو مغناطیسی موجود در لپ‌تاپ یا کامپیوتر شما عمل می‌کند. از آن‌جایی که داده‌هایی به مراتب متراکم‌تر از آنچه روی سیلیکون امکان‌پذیر است را می‌توان در دی‌ان‌ای ذخیره‌سازی کرد، اساسا قادر به جای دادن تمام داده‌های جهان درون تنها چند گرم دی‌ان‌ای هستید.

ایلیا فینکلشتاین، دستیار پروفسور زیست‌شناسی مولکولی در دانشگاه تگزاس می‌گوید: «از آن‌جایی که دی‌ان‌ای از سوی تمام گونه‌های حیات به عنوان اصلی‌ترین مدیوم ذخیره‌سازی اطلاعات انتخاب شده، اساسا با سیستمی بسیار قدرتمند روبه‌رو هستیم. مدت‌های طولانی بعد از اینکه حافظه‌های مغناطیسی ما شکلی منسوخ به خود بگیرند، طبیعتا همچنان در حال استفاده از دی‌ان‌ای خواهد بود». در مقاله‌ای که اخیرا در ژورنال Proceedings of the National Academy of Science منتشر شده، فینکلشتاین و اعضای دیگر تیم به ارائه جزییات مربوط به متد تصحیح خطای جدید خود پرداخته‌اند. آن‌ها توانسته‌اند تمام رمان جادوگر شهر اُز را به زبان اسپرانتو و با دقت بیشتری نسبت به متدهای مبتنی بر دی‌ان‌ای پیشین ذخیره کرده‌اند. به این ترتیب ما در مسیر دستیابی به متدهای آتی ذخیره‌سازی داده قرار گرفته‌ایم.

سابقه ذخیره‌سازی مبتنی بر دی‌ان‌ای در واقع به سال ۱۹۸۸ میلادی و آزمایشی در دانشگاه هاروارد بازمی‌گردد. محققین این دانشگاه توانستند تصویری متعلق به یکی از آثار هنری جو دیویز را درون یک رشته دی‌ان‌ای اشریشیا کلی ذخیره‌سازی کنند. هنگام دیکد، این تصویر ماتریکسی ۵ در ۷ به وجود آورد. تا سال ۲۰۱۱ میلادی، محققان انستیتوی بیوانفورماتیک اروپا در بریتانیا هم رویکردی مشابه در پیش گرفتند. نیک گلدمن، تکنیسین بیوانفورماتیک، مشغول صحبت با همکاران خود راجع به این بود که چطور می‌توان رشته‌های ژنومی که جهان مقادیری بسیار فراوان از آن‌ها را تولید کرده را یکی پس از دیگری روی هم ذخیره کرد. این بحثی بود که به عنوان شوخی شروع شد. خودش به نشریه Nature می‌گوید: «با خودمان فکر کردیم چه چیزی جلوی ما را گرفته که از دی‌ان‌ای برای ذخیره‌سازی اطلاعات استفاده نکنیم؟». دو سال بعد، این گروه توانسته بود با موفقیت، ۵ فایل مختلف را درون رشته‌های دی‌ان‌ای انکد کند، از جمله سخنرانی معروف «من رویایی دارم» مارتین لوتر کینگ جونیور و غزل‌هایی از شکسپیر.

هارد درایو مغناطیسی یکی از محبوب‌ترین‌ متدها برای ذخیره‌سازی داده در کامپیوترهای امروزی به حساب می‌آید. درون این حافظه‌ها، یک جفت دیسک گردان به نام «دیس» یا «Platter» خواهید یافت که شبیه به یک سی‌دی هستند. این دیس‌ها، داده‌ها را در قالب ۰ و ۱ (یا کد باینتری) روی سطوح خود ذخیره می‌کنند. با تعبیه شدن روی یک محور، دیس به گردش می‌افتد و یک جریان الکترونیکی، داده را روی سطح می‌نویسد یا از روی آن می‌خواند. قطعات الکترونیکی نیز به تمام عملیات قوت می‌رسانند. به صورت مشابه، حافظه مبتنی بر دی‌ان‌ای نیازمند تدابیر انکد و دیکد است. در این مورد خاص، محققان به صورت شیمیایی به تولید دی‌ان‌ای مصنوعی با خواصی مشخص می‌سازند که بر مبنای چهار نوکلئوتید به دست می‌آیند: آدنین (A)، کیتوزین (C)، گوانین (G) و تیمین (T). این نوکلئوتیدها هستند که ساختار حلزونی و نردبانی مواد ژنتیکی را می‌سازند.

از آن‌جایی که دی‌ان‌ای چهار بلوک سازنده دارد، به جای استفاده از ۰ و ۱ های باینری در هارد درایوهای مغناطیسی، متد حافظه ژنتیکی به مراتب متراکم‌تر است. این را جان هاوکینز، یکی از نویسندگان مقاله اخیر می‌گوید. «یک قاشق غذاخوری دی‌ان‌ای حاوی مقادیری از اطلاعات است که به صورت معمول برای ذخیره‌سازی آن‌ها با تکنولوژی‌های کنونی، به دیتاسنترهایی هم‌اندازه ۱۰ سوپرمارکت والمارت نیاز خواهید داشت. یا آنطور که برخی مردم ترجیح می‌دهند بیانش کنند، می‌توانید تمام اینترنت را در یک جعبه کفش جای دهید».اما مثل تمام متدهای ذخیره‌سازی داده، دی‌ان‌ای نواقص و مشکلات خودش را نیز دارد. برجسته‌ترین چالش در استفاده از این متد، هزینه است. هاوکینز می‌گوید که متدهای کنون از نظر هزینه مشابه Apple Hard Disk 20 در دهه ۱۹۸۰ میلادی هستند. در آن زمان، حدودا ۲۰ مگابایت فضای ذخیره‌سازی -معادل با میزان داده‌ای که برای دانلود یک ویدیوی ۱۵ دقیقه‌ای نیاز دارید- حدودا ۱۵۰۰ دلار هزینه به همراه می‌آورد. گذشته از این، دی‌ان‌ای محکوم به خطا است. بیایید دوباره راجع به نوکلئوتیدهایی که نردبان دی‌ان‌ای را می‌سازند صحبت کنیم. به صورت میانگین، به ازای هر ۱۰۰ الی ۱۰۰۰ نوکلئوتید، یک خطا درون دی‌ان‌ای رخ می‌دهد و این خطاها می‌توانند به سه شکل بروز پیدا کنند: جایگزینی، جاگذاری و حذف.

با حرکت به سمت آینده، پتانسیل حافظه‌های مبتنی بر دی‌ان‌ای عملا نامحدود خواهد بود. فینکلشتاین تصویری از آینده‌ای را ترسیم می‌کند که در آن، می‌توانیم از دی‌ان‌ای حاوی داده درون مواد دیگر استفاده کنیم. او می‌گوید در یک مثال، محققان یک تکه پلاستیک چاپ سه‌بعدی شده را به رشته‌های دی‌ان‌ای حاوی فایل‌های طراحی همان پلاستیک چاپ شده مجهز کردند. همینطور که تکه پلاستیکی از درون پرینتر عبور می‌کند، قادر به رها کردن دی‌ان‌ای است تا بازتولید فایل در پروسه‌ای دائمی صورت بگیرد. یا می توانید از حافظه داده مبتنی بر دی ان ای به عنوان راهی برای به دست آوردن اطلاعات راجع به اشیای ثباتی که ماده ژنتیکی مخصوص به خود را ندارند استفاده کنید. فرض می‌کنیم که یک هواپیما را با ماده‌ای که حاوی دی‌ان‌ای است می‌پوشانید و دستورالعمل کامل ساخت هواپیما را درونش تعبیه می‌کنید. اگر مشکلی پیش آید و هواپیما در دریا سقوط کند، دی‌ان‌ای تعبیه شده در لایه رویی به خاطر اشعه‌های فرابنفش خورشید تجزبه می‌شود. این روند تجزیه می‌تواند راهی برای جمع‌آوری اطلاعات راجع به اتفاقی که برای هواپیما افتاده باشد. حتی اگر تنها یک تکه از لاشه هواپیما کشف شود هم دانشمندان می‌توانند دی‌ان‌دی ذخیره شده و میزان تجزیه را تحلیل کرده و بفهمند هواپیما برای چه مدت در دریا گم شده بوده است. اما حتی با دستاوردهای مهمی که فینکلشتاین و تیمش داشته‌اند هم حافظه دیجیتالی مبتنی بر دی‌ان‌ای هنوز مسیری طولانی در پیش دارد. او می‌گوید: «به نظرم در موارد بسیار خاص بزودی قادر به استفاده از چنین حافظه‌های هستیم. اما فکر نمی‌کنم که تا یک دهه دیگر یا حتی بیشتر شاهد عرضه آن به بازار به عنوان محصولی عمومی باشیم». اما هر زمان که چنین چیزی امکان‌پذیر شود، حافظه مبتنی بر دی‌ان‌ای بزرگ‌ترین گامی خواهد بود که بشر تاکنون در زمینه ذخیره‌سازی داده برداشته است.