انقلاب شگفت انگیز در ذخیره سازی به وسیله دی ان ای!/ خداحافظی با هارددیسک‌ها برای ذخیره سازی اطلاعات

 تحقیق درباره ذخیره داده‌های دیجیتال در داخل رشته‌های DNA از دهه قبل و در پی تلاش‌ها برای توالی‌یابی ژنوم انسان، سنتز DNA و توسعه ژن‌درمانی آغاز شده و محققان تا امروز چندین فیلم، کتاب و سیستم عامل‌های کامپیوتر را در DNA رمزگذاری کرده‌اند. حتی نتفلیکس هم از این کار برای ذخیره کردن اپیزودی از سریال Biohackers بهره برده.

اطلاعات ذخیره شده درDNA به‌طور کلی انسان بودن (یا هرگونه دیگری) را مشخص می‌کند ولی بسیاری از متخصصان معتقدند که این روش ذخیره‌سازی، فوق‌العاده فشرده، بادوام و طولانی مدتی است که می‌تواند جایگزین بسیاری از روش‌های غیرقابل اعتماد و نامطمئن ذخیره داده‌های دیجیتال شود؛ به ویژه که در این روش‌های نامطمئن بسیاری از داده‌ها از بین رفته و در عین حال به انرژی زیادی برای ذخیره نیاز خواهد بود. از سوی دیگر برخی از محققان به دنبال روش‌های دیگری هستند تا بتوان داده‌ها را به شیوه‌ای موثر و برای همیشه ذخیره کرد؛ شیوه‌هایی مثل حکاکی کردن و خراشیدن اطلاعات برروی مهره‌های بسیار بادوام شیشه‌ای که برداشتی مدرن از نقاشی در غارهاست.

اما این اطلاعات واقعا چقدر باقی خواهند ماند و آیا واقعا می‌توان به ذخیره مجموعه‌ای از داده‌هایی که توسط بشر برای آیندگان تولید می‌شوند، روی این روش‌ها حساب باز کرد؟ هرچه دنیا دیجیتالی‌تر می‌شود، اتکای ما به داده در حال افزایش است. فیلم‌ها، عکس‌ها، وب‌سایت‌ها، مدارک تجاری، سوابق حساس امنیتی، همه چیز دیجیتالی هستند و هرروز از آنها استفاده می‌کنیم.

چرا هارد دیسک‌ها قابل اعتماد نیستند؟

بر اساس گزارش بی‌بی‌سی، بسیاری از مجموعه داده‌هایی که تولید کرده‌ایم به‌صورت کدهای صفر و یک برروی نوارهای مغناطیسی مثل هارد دیسک‌ها ذخیره شده‌اند؛ اما این راهکار ایده‌آلی نیست؛ مغناطیس‌زدایی، معضل بزرگی است؛ یعنی آهنرباهای دائمی به تدریج میدان مغناطیسی‌شان را از دست می‌دهند؛ پس برای حفظ ایمن داده‌ها، مهم است که هرچند سال یک بار، دوباره آنها را در هارد دیسک ذخیره کنید. دینا زیلینسکی، محقق ارشد ژنومیک انسانی در انستیتو ملی تحقیقات سلامتی و پزشکی فرانسه دراین باره گفته:«به طور میانگین داده‌ها در هارد دیسک‌ها، بین ۱۰ تا ۲۰ سال دوام می‌آورند؛ اگر خوش‌شانس باشید و شرایط هم ایده‌آل باشد، شاید طول عمرشان تا ۵۰ سال هم برسد.»

ذخیره داده‌ها به مراکز داده عظیمی نیاز دارد که به انرژی زیادی برای خنک نگه داشتنش نیاز خواهد بود و این خودش مشکل بزرگی است؛ برنامه ذخیره‌سازی اطلاعات مولکولی دولت آمریکا (Mist) که درسال ۲۰۱۹ راه‌اندازی شده به دنبال جایگزینی برای ذخیره‌سازی داده‌های عظیم فعلی است.

زیلینسکی دراین باره گفته:« درحال حاضر سخت‌افزار کم آورده‌ایم و فکر می‌کنم که صنعت نمی‌تواند با تولید دیسک‌های سخت و سرورها، با سرعت نیاز به ذخیره تمام داده‌های موجود رقابت کند.» ولی آیا واقعا نیاز به حفظ این حجم از داده‌ها و ذخیره آنها برای مدتی بسیار طولانی داریم؟

چرا افراد به حفظ داده‌هایشان نیاز دارند؟

مردم دلایل مختلفی برای حفظ داده‌هایشان برای مدت زمان‌های طولانی دارند؛ اول بحث علوم مطرح می‌شود؛ محققان حجم بالایی از اطلاعات تولید می‌کنند و هرچه داده‌هایشان بیشتر باشد، بهتر خواهد بود. تلسکوپ‌های رادیویی و شتاب دهنده‌های ذرات، مثل LHC در سازمان تحقیقات هسته‌ای اروپا (معروف به سرن) در مرز سوئیس و فرانسه، مجموعه‌ای از داده‌ها را تولید می‌کند و طبق گفته لاتچسار لونکوف، دانشمند علوم کامپیوتر که روی ذخیره DNA در آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس کار می‌کند، گفته که دانشمندان خواهان آن هستند تا همه این داده‌ها را حفظ کنند. خود LHC سالانه به تنهایی ۹۰ پتا بایت (۹۰ میلیون گیگابایت) داده تولید می‌کند.

مارک بات، پروفسور مهندسی بیولوژیک در موسسه فناوری ماساچوست، یکی از بانیان استارت‌آپ Cache DNA است که برای ایجاد دسترسی گسترده و مفید به بیومولکول‌ها راه‌اندازی شده است. بات در این باره گفته:«تهدیدهای جهانی که بشریت با آن روبروست، ما را برآن واداشته تا هم از اطلاعات دست‌ساز بشر مثل هنر و علم محافظت کنیم و هم از DNA تمام موجودات زنده روی کره زمین.

بدین‌ترتیب اگر قرار بود تا زندگی دوباره در زمین بازآفرینی شده و یا از سیارات دیگر منتقل شده یا به کره زمین منتقل شود، سوابقی از کارهایی که ما انجام دادیم و چیزهایی که داشتیم موجود خواهد بود.»

ذخیره اطلاعات برروی DNA

بسیاری از محققان ذخیره‌سازی DNA بر این باورند که برای ذخیره‌سازی گسترده و طولانی مدت اطلاعات به محیط ذخیره‌سازی فوق‌العاده ای دست یافته‌اند. ما عموما DNA را به‌عنوان راهی برای ذخیره اطلاعات ژنتیکی و ژنومی می‌بینیم؛ اما بسیاری از محققان حالا از امکان ذخیره حجم عظیمی از داده‌های دیجیتال که در حال حاضر مراکز داده در سراسر جهان را به سرحد انفجار رسانده، حسابی هیجان زده‌اند.

بات دراین باره می‌گوید:« DNA یک انتخاب طبیعی است؛ طبیعت هزاران سال است که از DNA برای ذخیره اطلاعات به شیوه ژنوم‌ها بهره می‌برد و میلیاردها سال است که این‌گونه است و چیزی است که می‌توان به نحوی روی آن سرمایه‌گذاری کرد. تا زمانی که DNA وسیله ذخیره‌سازی اطلاعات اساسی یک گونه، مثل انسان‌ها باشد، چیزی است که می‌دانیم باید با آن چه کنیم.»

زیلینسکی نیز دراین باره گفته:« این موضوع را با این واقعیت مقایسه کنید کهDNA در طی ۳.۷ میلیارد سال گذشته تا عصر اطلاعات که در دهه ۱۹۵۰ آغاز شد، بهینه‌سازی شده است. ما در زمینه تکنولوژی ساخت دست بشر پیشرفت‌های زیادی داشته‌ایم ولی از نظر کارایی خیلی از DNA بهتر نبوده‌ایم. به علاوه این واقعیت که می‌توانیم قطعات DNA را از حیواناتی قبل مثل ماموت‌های پشمالو که داده‌های معناداری درباره ژنوم‌هایشان ارائه شده، بازیابی کنیم، حاکی از آن است که DNA واقعا با دوام است.»

خطراتی که DNA را تهدید می‌کنند

البته باید این را نیز درنظر داشت که DNA به شدت شکننده است و شرایطی که منجر به فسیل شدن جانوران می‌شود، شرایط نادری است. اولگیکا ملینکوویچ، پروفسور مهندسی الکترونیک و کامپیوتر در دانشگاه ایلینوی آمریکا می‌گوید:«شرایط فراوانی از جمله رطوبت، اسیدها و تششعات همگی به DNA آسیب می‌زنند و باعث تخریبش می‌شوند؛ اما اگر DNA سرد و خشک نگه داشته شود، سال‌ها سالم باقی می‌ماند.» در عین حال می‌توان برای محافظت از DNA آن را در داخل موادی مثل گوی‌های شیشه‌ای (دقیقا مثل نحوه محافظت از مواد ژنتیکی در فسیل‌های باستانی) محصور کرد. روبرت گرس، محقق موسسه ETH زوریخ و تیمش نشان داده‌اند که این گوی‌ها از DNA در مقابل مواد شیمیایی و حرارت محافظت می‌کنند. مراقبت‌های آتی شامل قراردادن DNA در یک مکان ایمن از لحاظ فیزیکی است. طبق گفته میلنکوویچ، ذخیره داده‌های سرنوشت‌ساز برای انسان‌ها، در یک DNA محصور شده، در یک طاق یخی به‌منزله آن است که این اطلاعات می‌توانند تقریبا تا ابد حفظ شوند.»

مزایای بهره‌گیری از DNA برای ذخیره داده‌ها

یکی از مزایای بزرگ DNA این است که ذخیره‌ای بسیار متراکم از اطلاعات است، در حدی که قابل مقایسه با هیچ دستگاه ساخت بشر نیست. طبق گفته ایونکوف و براساس برآوردها ۳۳ زتابایت از داده‌هایی که انسان‌ها در سال ۲۰۲۵ تولید خواهند کرد ( یعنی ۳.۳ با ۲۲ تا صفر) را می‌توان در یک ذخیره DNA به اندازه یک توپ پینگ‌پونگ ذخیره‌سازی کرد. او براین باور است که ذخیره این حجم از اطلاعات در DNA چند دهه به طول خواهد انجامید.

جالب اینجاست که بعید است که ذخیره‌سازی اطلاعات در DNA، برخلاف دیگر ابزارهای ذخیره‌سازی اطلاعات ساخت دست بشر، هرگز منسوخ شود. میلنکوویچ این سوال را مطرح کرده که الان دیگر چه کسی از فلاپی دیسک‌ها استفاده می‌کند؟ ولی با ذخیره‌سازی بر DNA همواره قادر به خواندن اطلاعات خواهیم بود.

معایب ذخیره داده‌ها روی DNA

البته در این مسیر چالش‌های بزرگی نیز پیش روست. در مقاله‌ای که درسال ۲۰۱۸ منتشر شد، گرچه DNA پتانسیل عظیمی به‌عنوان ابزاری برای ذخیره داده‌ها در آینده دارند، ولی تنگناهای متعددی مثل هزینه‌های سنگین، مکانسیم‌های نوشتن و خواندن کند و آسیب‌پذیری جهش‌ها و یا خطاهایی نیز وجود دارند که باید برطرف شوند.

از جمله موانع بزرگ برای ذخیره حجم بالایی از اطلاعات برروی DNA، هزینه سرسام‌آور آن است که به مراتب بالاتر از ذخیره اطلاعات روی هارددیسک‌هاست. طبق گفته زیلینسکی، ذخیره پنج کالای دیجیتال (یک مقاله علمی، فیلم یک دقیقه‌ای، سیستم عامل کامپیوتر و کارت هدیه آمازون)، هزینه‌ای در حدود ۷۵۰۰ دلار به همراه خواهد داشت. او دراین باره گفته:« هزینه ذخیره‌سازی برروی DNA متغیر است؛ چرا که به متد سنتز و همچنین طرح رمزگذاری و نحوه رمزگشایی آن بستگی دارد.» زیلینسکی ادامه داد:« تمرکز اصلی ما برروی کاهش هزینه‌های سنتز این فرآیند است.»

طبق گفته بات، برای رقابت با رسانه‌های دیجیتال رایج، هزینه ذخیره‌سازی DNA باید کاهش بیابد. از همین رو مسیری طولانی پیش روست ولی در حال حاضر دانشمندان می‌کوشند تا ببینند که به صورت همزمان می‌توانند برروی چند مولکول DNA دیتا ذخیره کنند:« با نیم‌نگاهی به صنعت الکترونیک، کاهش هزینه‌ها در این صنعت را می‌بینید. هزینه سنتز DNA هم به‌طرز چشمگیری کاهش یافته.»

ذخیره داده‌ها برروی DNA طبیعی

گزینه دیگری هم که مانع از سنتز می‌شود، امکان ذخیره داده‌ها در DNA طبیعی است که دستخوش تغییراتی شده که این روش می‌تواند بسیار ارزان‌تر از ساخت مولکول‌های DNA جدید باشد. بدین ترتیب که مولکول اصلی نقطه مرجع کد خواهد بود و نیازی به سنتز نیست. این بدین معناست که فرآیند ارزان‌تر بوده و از محصولات جانبی سمی مرتبط با سنتز DNA اجتناب خواهد شد.

ایونکوف نیز دراین رابطه گفته:« به این دلیل که ما می‌توانیم داده‌هایی از فسیل‌ها به دست بیاوریم، تقریبا اطمینان داریم که ذخیره DNA می‌تواند برای مدتی طولانی دوام بیاورد. مثلا ما قادر خواهیم بود تا این اطلاعات را هزار سال دیگر نیز بخوانیم.»

سازمان ایونکوف بخشی از گروهی به نام DNA Data Storage Alliance است که به دنبال کسب اطمینان از این است که چطور قادر به رمزگشایی داده‌ها در قرن‌های آینده خواهیم بود و یکی از زیر مجموعه‌های این گروه، به بررسی چگونگی ایجاد یک راهنمای جهانی برای نحوه خواندن آرشیو ذخیره DNA است.

خطراتی که بشریت را تهدید می‌کنند

البته طبق گفته زیلینسکی استفاده گسترده و جهانی از سنتز DNA ممکن است خطراتی را با خود به همراه داشته باشد؛ مثلا اینکه مردم ممکن است سعی کنند تا از این روش برای ذخیره موارد دیگری به جز دیتا و اطلاعات بهره ببرند و مثلا ویروس یا باکتری را سنتز کنند و یا حتی DNA فردی را ساخته و آن را در صحنه جنایت به کار گرفته و رها کند.

بات نیز موافق این امر است که مسائل و خطرات بسیاری در رابطه حریم خصوصی وجود خواهند داشت. او درعین حال یادآوری کرده که شرکت‌های زیادی به دنبال آن هستند تا DNA همه افراد در کره زمین را فهرست‌بندی کنند. برخی دیگر هم به این نکته اشاره کرده‌اند که چقدر تصور این امر ترسناک است که یک نفر بتواند توالی DNA میلیاردها انسان را در یک سیستم ذخیره داده‌های کوچک نگه دارد. بات دراین باره گفته:« ما باید فناوری‌هایی را دراین باره بسازیم؛ چون اگر این کار را نکنیم، قادر نخواهیم بود تا این ریسک‌ها را کاهش داده یا حتی درک کنیم. این موجودیتی ناشناخته و کنترل نشده خواهد بود.»

جایگزین‌های دیگری برای این روش

با درنظر داشتن این موارد، این موضوع ارزش آن را دارد که درباره جایگزین‌های دیگری برای ذخیره‌سازی داده‌های DNA بررسی کنیم. پیتر کازانسکی، استاد اپتوالکترونیک دانشگاه ساوثهمپتون، فناوری ذخیره نوری ساخته که به نظرش رقیب ارزشمندی برای ذخیره داده در DNA است و معتقد است که داده‌های ذخیره شده به شیوه او، میلیون‌ها یا میلیاردها سال باقی خواهند ماند.

این تیم برروی نوشتن با لیزر در فمتوثانیه ( یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه) کار می‌کند و با استفاده از لیزری مشابه با لیزر مورد استفاده در جراحی چشم، اطلاعات را برروی دیسک‌های شیشه‌ای سیلیسی مقاومی می‌خراشد. کازانسکی دراین رابطه می‌گوید:« ما کشف کردیم که در این شرایط می‌توان نانوساختارهای بسیار کوچکی را تشکیل داد و از این ساختار برای رمزگذاری اطلاعات استفاده می‌کنیم.» این روند کاملا مشابه با روند رایت کردن CD یا DVD است که با بهره‌گیری از پلیمرهای نور لیزر انجام می‌گیرد ولی در این تکنولوژی جدید، ساختارها واقعا کوچک و پایدار هستند و در دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد نیز دوام می‌آورند و در تماس با تشعشات نیز آسیب نمی‌بینند.

کازانسکی دراین باره گفته:« یکی از مزایای ذخیره‌سازی ما دوام آن است که تقریبا می تواند برای همیشه اطلاعات را حفظ کند.» تا به امروز اسنادی مثل اعلامیه جهانی حقوق بشر، کتاب کینگ جیمز و یا راهنمای سفر به کهکشان همه با بهره‌گیری از این فناوری ذخیره شده‌اند.

گزینه‌های مولکولی برای کدگذاری داده‌ها

دیگر محققان هم درحال بررسی گزینه‌های مولکولی برای کدگذاری کردن داده‌هایی هستند که شامل DNA نمی‌شوند؛ روش‌هایی مثل استفاده از زنجیره‌های انواع دیگر مولکول‌های مصنوعی که سنتز کردنشان راحت‌تر و ارزان‌تر است؛ از جمله کدی که بتوان به راحتی توسط کنترل کردن جرم مولکول‌های منفرد ایجاد کرد؛ با جرم‌های مختلفی که ترکیبی از صفر و یکهاست.

درحال حاضر توانایی رمزگذاری داده‌های دیجیتال به DNA ، محصور کردن آن و محافظت از آن برای صدها و هزاران سال وجود دارد. و تنها نقطه ضعف موجود، انتخاب داده‌ای است که این کار را برروی آن انجام داد و یا نحوه غلبه بر گلوگاه سنتز DNA است تا بتوان حجم بیشتری از داده‌ها را ذخیره کرد. ایونکوف دراین باره گفته:« من هیجان زده‌ام که از DNA برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌شود ولی به نظر من هنوز به بیست سال دیگر زمان نیاز است.»

زیلینسکی نیز معتقد است که انسان‌ها در بین پنج تا ده سال آینده، استفاده از DNA برای ذخیره‌سازی داده‌هایی که نیاز به دسترسی مداوم به آنها ندارند (از جمله سوابق مالی مهم یا داده های تاریخی) را آغاز خواهند کرد.