على الرغم من كفاءة أنظمة تخزين البيانات الإلكترونية، إلا أنها لا تقارن بنسخة الطبيعة الخاصة بها – الحمض النووي (DNA). تقنية جديدة لكتابة البيانات على الحمض النووي تعمل مثل مطبعة وتسهّل الأمر بحيث يمكن لأي شخص القيام به.
عادةً ما يتضمن كتابة البيانات على الحمض النووي تصنيع خيوط واحدة حرفًا واحدًا في كل مرة، مثل خيط الخرز. ومن الواضح أن هذه عملية بطيئة جدًا، خاصة عندما يمكن أن تحتوي تسلسلات الحمض النووي على مليارات من تلك الحروف أو القواعد.
لكن مطبعة الحمض النووي الجديدة تسرع العملية بشكل كبير. قام الفريق بإنشاء مجموعة من 700 لبنة حمض نووي، تحتوي كل منها على 24 قاعدة، تعمل مثل قطع الطباعة المتحركة. يمكن ترتيبها في ترتيب مرغوب ثم استخدامها لـ “طباعة” بياناتها على خيوط نموذجية من الحمض النووي.
بدلاً من كتابة بت واحد في كل مرة، تسرع هذه المطبعة العملية إلى 350 بت في وقت واحد لكل تفاعل.
لتبسيط العملية، لا يتم ترميز البيانات باستخدام الحروف المعتادة GCAT للحمض النووي، بل باستخدام الأصفار والواحدات المعروفة في الشيفرة الثنائية. في هذه الحالة، تم ربط علامات كيميائية ببعض لبنات الحمض النووي ولكن ليس الأخرى – تلك التي تحمل علامات تمثل الواحدات وتلك التي لا تحمل علامات تمثل الأصفار.
اختبر الفريق التقنية عن طريق تخزين صور تتضمن 16,833 بت لرسم قديم لنمر صيني وصورة لباندا تتكون من أكثر من 252,500 بت. بعد بعض التعديلات، تمكنوا من استرداد 100% من البيانات باستخدام طرق قراءة الحمض النووي القياسية.
لإظهار مدى بساطة الاستخدام المحتمل لهذه التقنية، أجرى الفريق تجربة مع 60 شخصًا. استخدم المشاركون منصة برمجية تُدعى iDNAdrive لترميز نصوص مختارة منهم بمجموع حوالي 5,000 بت. وتمت قراءة البيانات بنجاح بدقة تصل إلى 98.58%.
من الواضح جاذبية تخزين البيانات بالحمض النووي؛ فهو كثيف للغاية – حيث يُقدّر أنه يمكنك تخزين أكثر من 10 مليار غيغابايت من البيانات في مجرد سنتيمتر مكعب واحد (cm³) من الحمض النووي. والأفضل هو أنه إذا تم تخزينه تحت الظروف المناسبة يمكن أن تدوم هذه البيانات لآلاف أو حتى ملايين السنين مما يجعلها نظام أرشفة رائع.
قراءة البيانات المستخرجة من الحمض النووي سريعة نسبيًا لكن الكتابة هي نقطة الاختناق الرئيسية. ويمكن قول الشيء نفسه عن النصوص القديمة؛ لذا طبق الباحثون في الدراسة الجديدة حلاً مشابهًا لذلك.
أدى اختراع الطباعة ذات النوع المتحرك إلى إنتاج النصوص بكميات كبيرة لأول مرة؛ حيث كانت الشخصيات الفردية موجودة على طوابع صغيرة يمكن ترتيبها لتشكيل كتل كبيرة لطباعة العديد من النسخ بسرعة.
استلهمت فكرة الطباعة الجزيئية المتحركة مما تقوم به خلايانا لتخزين ومعالجة المعلومات.
كل خلية في جسمك تحتوي على الجينوم الكامل الخاص بك؛ وما يميز الخلايا المختلفة هو طبقة إضافية تسمى الإبيجينوم (epigenome). تشير العلامات الكيميائية المرتبطة إلى أي الجينات يجب تشغيلها أو إيقاف تشغيلها للسماح للخلايا بأداء أدوار مختلفة.
لتوضيح ذلك بطريقة أخرى: إذا كان جسمك شركةً ما فإن كل موظف يحصل على نفس الدليل الإرشادي لكن الأقسام المختلفة – الدماغ والكبد والجلد وغيرها - لديها فصول مختلفة مميزة حتى تعرف الخلايا المعلومات المحددة التي تحتاج إليها لأداء وظائفها.
بالنسبة لمطبعة DNA الجديدة ، فإن هذه العلامات أو مجموعات الميثيل تحمل المعلومات المكتوبة والمقروءة لاحقاً . تعتبر لبنات الـ DNA قطع الطباعة المتحركة ، وخيوط نموذج الـ DNA الفارغة هي الورق .
عندما تكون هناك حاجة لتسلسل معين ، يتم اختيار اللبنات المقابلة ووضعها مع النموذج . بمجرد وجودهم هناك ، ترتبط اللبنات بمناطق محددة عبر نموذج الـ DNA .
وأخيراً يأتي الحبر . يقوم إنزيم بنسخ جميع مجموعات الميثيل الموجودة باللبنات إلى كل جزءٍ عبر نموذج الـ DNA . لاحقاً ، يمكن لجهاز تسلسل النانو المسامي قراءة نمط الواحد والصفري لإعادة إنشاء الملفات الرقمية المخزنة .
نظرًا لأن اللبنات تتجمع ذاتيًا حول شريط النموذج للـ DNA ، يحدث الكثير مما يسمى الكتابة دفعة واحدة بدلاً عن حرف بحرف . تسريع العملية وجعلها متاحة لغير العلماء قد يساعد الـ DNA ليصبح وسيلة فعالة لتخزين المعلومات .
تم نشر الورقة البحثية في مجلة Nature.
