ثورة في علم تخزين البيانات على الحمض النووي

كتب – باسل يوسف:

على الرغم من كفاءة أنظمة تخزين البيانات الإلكترونية، فإنها لا تضاهي النسخة الطبيعية من الحمض النووي. تعمل تقنية جديدة لكتابة البيانات على الحمض النووي مثل آلة الطباعة وتجعلها سهلة بحيث يمكن لأي شخص القيام بها.

تتضمن كتابة البيانات على الحمض النووي عادةً تجميع خيوط حرف واحد في كل مرة، مثل ربط الخرز بخيط. هذه عملية بطيئة للغاية، خاصة عندما يكون هناك مليارات من هذه الحروف أو القواعد في تسلسل الحمض النووي المحدد.

لكن آلة طباعة الحمض النووي الجديدة تسرع العملية بشكل كبير. أنشأ فريق بحثي مجموعة من 700 قطعة من الحمض النووي، تحتوي كل منها على 24 قاعدة، تعمل مثل قطع الطباعة المتحركة. يمكن ترتيبها في ترتيب مرغوب ثم استخدامها لطباعة بياناتها على خيوط قالب الحمض النووي.

بدلاً من كتابة بت واحد في كل مرة، تعمل آلة الطباعة هذه على تسريعها إلى 350 بت في وقت واحد، لكل تفاعل.

لتبسيط العملية، لا تُشفر البيانات بحروف GCAT المعتادة للحمض النووي، ولكن بالحروف والأصفار المألوفة للرمز الثنائي. في هذه الحالة، أُرفقت علامات كيميائية ببعض لبنات الحمض النووي ولكن ليس بأخرى – تلك التي تحتوي على علامات تمثل الواحدات، وتلك التي لا تحتوي على علامات تمثل الأصفار.

نسبة الدقة

اختبر الفريق هذه التقنية من خلال تخزين الصور، بما في ذلك صورة لباندا مكونة من أكثر من 252500 بت. بعد بعض التعديلات، يمكن استرداد 100% من البيانات باستخدام طرق قراءة الحمض النووي القياسية.

لإظهار مدى سهولة استخدامها، أجرى الفريق تجربة مع 60 شخصًا. استخدم المشاركون منصة برمجية تسمى iDNAdrive لتشفير قطع من النص من اختيارهم، بإجمالي حوالي 5000 بت. ونجحت عملية قراءة البيانات بنسبة دقة 98.58%.

تُعد هذه التقنية من التقنيات الحديثة التي تساعد على تخزين البيانات، فهي كثيفة بشكل لا يصدق – حيث يمكنك تخزين أكثر من 10 مليارات جيجابايت من البيانات في 1 سم3 فقط من الحمض النووي. والأفضل من ذلك، إذا خُزنت هذه البيانات في ظل الظروف المناسبة، يمكن أن تستمر لآلاف أو حتى ملايين السنين، ما يجعلها نظامًا أرشيفيًا رائعًا.

تحتوي كل خلية في جسمك على جينومك الكامل. ما يميز الخلايا في الأنسجة المختلفة هو طبقة إضافية من المعلومات تسمى الجينوم. تشير العلامات الكيميائية المرفقة إلى الجينات التي تحتاج إلى التشغيل أو الإيقاف للسماح للخلايا بأداء أدوار مختلفة.

وبعبارة أخرى، إذا كان جسمك شركة، فإن كل موظف يحصل على نفس الدليل، ولكن الأقسام المختلفة – الدماغ والكبد والجلد وما إلى ذلك – لديها فصول مختلفة مميزة، وبالتالي تعرف الخلايا المعلومات المحددة التي تحتاجها للقيام بوظائفها.

بالنسبة لمطبعة الحمض النووي الجديدة، فإن هذه العلامات، أو مجموعات الميثيل، تحمل المعلومات التي تُكتب وتُقرأ مرة أخرى. لبنات الحمض النووي هي قطع الكتابة المتحركة، وخيوط قالب الحمض النووي الفارغة هي الورق.

عندما تكون هناك حاجة إلى تسلسل معين، يمكن اختيار اللبنات المقابلة ووضعها في محلول مع القالب. بمجرد وجودها هناك، ترتبط اللبنات بمناطق محددة على طول قالب الحمض النووي.

أخيرًا يأتي الحبر. ينسخ الإنزيم جميع مجموعات الميثيل من اللبنات على كل جزء من قالب الحمض النووي. لاحقًا، يمكن لجهاز تسلسل النانو قراءة نمط الواحدات والأصفار لإعادة إنشاء الملفات الرقمية المخزنة.

نظرًا لأن اللبنات تتجمع ذاتيًا على خيط قالب الحمض النووي، فإن الكثير من الكتابة تحدث في وقت واحد، بدلاً من قطعة قطعة. إن تسريع العملية وجعلها متاحة لغير العلماء قد يساعد في جعل الحمض النووي وسيلة تخزين بيانات قابلة للتطبيق.

نُشر البحث في مجلة Nature

اقرأ أيضا:

عالم فيزياء: السفر عبر الزمن ممكن نظريًا