مدت زمان ذخیره ماندن اطلاعات در DNA

 بیشتر اطلاعات دیجیتالی ما از طریق فناوری هایی ذخیره می شوند که می توانند در کوتاه مدت عملکردی موفق را از خود به نمایش بگذارند و برای فعالیت در مدت زمان های طولانی تر طراحی نشده اند. برای نمونه، دوام هارد دیسک های استاندارد کمتر از چند دهه است و مستعد آسیب دیدگی در دمای بالا، رطوبت، مغناطیس و ضربه های فیزیکی هستند.

حتی SSDها که عملکرد بهتری نسبت به دیسک های مکانیکی دارند و کمتر مستعد مشکلات فیزیکی هستند، در صورتی که برای چند ماه به منبع تغذیه متصل نشوند، اطلاعات خود را از دست می دهند.

ذخیره سازی اطلاعات با استفاده از استانداردهای DNA می تواند یکی از راهکارهای جالب برای حل این مسأله باشد. به همان اندازه که تحقق این ایده دور از ذهن به نظر می رسد، چندین دلیل قانع کننده برای پیگیری آن وجود دارد. نکته اول اینکه، اطلاعات DND به صورت فشرده ذخیره می شوند، آنقدر فشرده که درک آن دشوار است.

یک سلول زنده می تواند شامل میلیون ها نوکلئوبیس (اجزای بیولوژیکی حاوی نیتروژن) باشد که هر یک از آنها حداقل یک بیت اطلاعات را در خود دارد.

حالا این نکته را هم به آن اضافه کنید که فسیل ها در شرایط مناسب، اطلاعات ژنتیکی را برای میلیون ها سال در خود نگه می ‌دارند و به همین دلیل بهترین گزینه برای ذخیره سازی طولانی مدت داده ها محسوب می شوند و این همان چیزی است که دکتر رابرت گرس و تیم او در بنیاد فنّاوری زوریخ برای محقق ساختنش در تلاش هستند.

همان طور که در دروس زیست شناسی خوانده ایم، DNA به وسیله چهار نوکلئوبیس کد گذاری می شود؛ این بدان معناست که به صورت نظری، هر کدام از آنها می توانند تا دو بیت داده را در خود داشته باشند.

بعد از اعمال محدودیت های حاصله از مراحل فنی و چیدمان نوکلئوبیس ها ( که ۳۵ درصد از کل حجم داده را شامل می شود)، هر کدام از اجزای بیولوژیکی به صورت مفید ۱٫۲ بیت داده را در خود جای می دهند.

دکتر گرس و تیم او تجربه خود را با ذخیره ۸۳ کیلوبایت اطلاعات درون ۴٫۹۹۱ رشته DNA به طول ۱۵۸ نوکلئودیت، آغاز کردند. سپس برای جلوگیری از فاسد شدن آن در طول زمان، محیطی شبه واقعی در کپسولی از جنس سیلیکا به اندازه ۱۵۰ نانومتر به وجود آوردند تا در برابر واکنش های شیمیایی محیط از این DNA محافظت شود.

برای خواندن مجدد اطلاعات لازم است این کپسول در معرض محلول فلوراید قرار گیرد؛ محلولی که سیلیکا را حل می کند اما تأثیری بر DNA ندارد.

سیستم های دیجیتالی که به منظور نگهداری طولانی مدت اطلاعات طراحی شده اند ( از دیسک های ساخته شده با کریستال تا دیسک های تنگستن سخت)، به طور معمول مقاومت بالایی در برابر از خود نشان می دهند.

زیرا در آزمایشگاه ها به طور معمول برای تخمین زدن مقدار پایداری اطلاعات در دراز مدت، ابزار ذخیره سازی را در معرض حرارت بالا قرار می دهند. علت قرار دادنDNA  در محفظه ای از جنس سیلیکا نیز همین مسأله است.

در این تحقیق، دانشمندان DNA را به مدت یک ماه در معرض دمای ۶۰ تا ۷۰ درجه سلیسیوس قرار دادند تا تغییر دمایی را که احتمال می رود در طول هزاران سال رخ دهد شبیه سازی کنند.

با در اختیار داشتن فناوری های کنونی، میزان خطایی که در حین نوشتن و خواندن اطلاعات از روی DNA رخ می دهد بسیار بالا خواهد بود. اما بیت های اضافه ای که در کنار اطلاعات اصلی نوشته شده بودند کارایی خود را همینجا نشان می دهند.

آنطور که دکتر گرس می گوید: «ما DNA را در شرایط شبیه سازی شده ای ۱۰ هزار ساله با دمای ۴ درجه سلسیوس نگهداری کردیم که براساس نتایج، ۸۰ درصد رشته های متوالی حداقل دارای یک خطا بوده و حدود ۸ درصد از کل توالی ها نیز به طور کامل از دست رفتند، با این همه باز هم موفق شدیم که داده ها را بدون هیچگونه خطایی رمزگشایی کنیم.»

براساس نتایج بدست آمده از این تحقیق، حتی اگر داده ها در دماهای پایینی چون ۱۸- درجه سلسیوس نگهداری شوند، باز هم بیشتر از میلیون ها سال دوام می آوردند.

اگرچه هزینه این کار در حال حاضر به اندازه ای است که نمی توان به طور معمول آن را پیاده سازی کرد، اما پیشرفت های اخیر در زمینه متوالی سازی DNA، هزینه خواندن اطلاعات با استفاده از این روش را کاهش داده و هم اکنون نیز تحقیقات بیشتری برای پایین آوردن هزینه ذخیره سازی اطلاعات روی مواد ژنتیکی در حال انجام است.

دکتر گرس می افزاید: «ما اکنون به دنبال کاهش هزینه ذخیره اطلاعات روی DNA (این رقم در حال حاضر۵۰۰ دلار آمریکا برای هر مگابایت است) و یافتن نخستین مصارف تجاری برای دخیره سازی اطلاعات ارزشمند روی این ابزارها هستیم.» این گروه همچنین در حال جمع آوری اطلاعات بیشتر در رابطه با مقاومت حرارتی است تا درک بالاتری در مورد نحوه فرسایش شیمیایی DNA پیدا کرده و راهکاری مناسب برای جلوگیری از این مسأله بیابند.