تم حفظ نظام التشغيل والفيديو في الحمض النووي ، ثم قرأهما دون أخطاء

قريباً ، ستنتج البشرية الكثير من البيانات بحيث تتوقف المستودعات المألوفة عن مواجهتها. لحل هذه المشكلة ، تحول العلماء إلى مستودع معلومات طبيعي لا حدود له - DNA. وفقًا للباحثين ، فإن الحمض النووي هو وسيلة تخزين مثالية ، لأنه صغير للغاية ويمكنه الاحتفاظ بخصائصه لمئات الآلاف من السنين ، إذا تم توفير ظروف التخزين المناسبة. ويتجلى ذلك في استعادة الحمض النووي في الآونة الأخيرة من عظام سلف بشري يبلغ من العمر 43 ألف عام تم العثور عليه في كهوف إسبانيا.

في دراسة جديدة ، أظهر علماء من جامعة كولومبيا ومركز نيويورك للجينوم ( NYGC ) أن الخوارزمية المصممة لبث الفيديو على الهاتف الذكي يمكن أن تكشف بشكل كامل تقريبًا عن إمكانات الحمض النووي لتخزين وضغط معلومات إضافية في أربع قواعد نيوكليوتيدية.


تنتمي الفكرة والاعتبارات العامة حول إمكانيات التسجيل والتخزين والبحث عن المعلومات في جزيئات الحمض النووي إلى ميخائيل نيومان ، الفيزيائي السوفيتي. في عام 1964 ، نشرت مجلة Radiotechnika مواد تصف تكنولوجيا هذه العملية وجهاز تخزين البيانات ، Neumann oligonucleotides (MNeimON).

في عام 2012 ، تمكن علماء الوراثة من جامعة هارفارد من ترميز مسودة كتاب مكون من 53.4 ألف كلمة و 11 صورة وبرنامج واحد. ووجدوا أنه يمكن تخزين 5.5 بيتابايت من البيانات في كل مليمتر مكعب من الدنا. بعد ذلك بعام ، تمكن الباحثون في المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية من حفظ حوالي 0.6 ميغابايت من الملفات النصية وملفات الفيديو ، ثم استخراجها وتشغيلها بالكامل: 154 سونيت شكسبير ، جزء 26 ثانية من حديث مارتن لوثر كينغ الشهير ، العمل العلمي على الهيكل DNA لجيمس واتسون وفرانسيس كريك ، صور مقر EBI في Hinkston وملف يصف تقنيات تحويل البيانات. تم إعادة إنتاج جميع ملفات DNA بدقة تتراوح بين 99.99٪ و 100٪.

قام يانيف إرليتش وزميلته دينا زيلينسكي ، باحثة NYGC ، باختيار ستة ملفات للترميز والكتابة إلى DNA - KolibriOS نظام تشغيل الكمبيوتر ، 1896 فيلم فرنسي "قطار يصل إلى محطة La Ciotat" ، الرمز 50 بطاقة هدايا دولار دولار من أمازون ، فيروس كمبيوتر ، صور من سجلات بايونير ، وأبحاث كلود شانون عام 1948 حول نظرية المعلومات.

جمع العلماء هذه الملفات في ملف واحد ، ثم قسموا البيانات إلى أسطر قصيرة من الشفرة الثنائية. باستخدام رموز النافورة ، قاموا بتعبئة الخطوط بشكل عشوائي في "قطرات" النافورة - كتل وتحويل المجموعات 00 ، 01 ، 10 ، 11 إلى أربع قواعد النوكليوتيدات: الأدينين (أ) ، السيتوزين (ج) ، الجوانين (ز) والثيامين (ت) ) لتجميع هذه الكتل معًا ، أضاف فريق من العلماء تسميات لكل "قطرة".

في المجموع ، أنتج الباحثون حوالي 72 ألفًا من خيوط الحمض النووي هذه ، يحتوي كل منها على حوالي 200 قاعدة. لقد جمعوا هذه المعلومات في ملف نصي وأرسلوها إلى سان فرانسيسكو ، حيث حولت شركة Twist Bioscience الناشئة عن توليف الحمض النووي البيانات الرقمية إلى بيانات بيولوجية. بعد أسبوعين ، تلقى فريق إرليك أنبوب اختبار بجزيئات الحمض النووي.

باستخدام تقنية التسلسل لقراءة خيوط DNA والبرامج الخاصة لترجمة الشفرة الجينية مرة أخرى إلى ملف ثنائي ، نجحوا في استعادة الملفات بنجاح. كم من الوقت تستغرق القراءة والكتابة ، لم يحدد العلماء بعد.

أظهر فريق من الباحثين بقيادة Erlich أيضًا أن خوارزميتها ، من خلال ضرب عينة DNA باستخدام تفاعل سلسلة بوليميراز ، يمكن أن تولد وتستعيد بدقة عددًا غير محدود تقريبًا من نسخ العينة ، وحتى نسخ نسخها.


يقوم Erlich بتشغيل نظام التشغيل في جهاز افتراضي ويقوم بتشغيل لعبة كاسحة الألغام

ومع ذلك ، اتضح أن قدرة الخوارزمية الأكثر إثارة للإعجاب هي القدرة على وضع 215 بيتابايت من البيانات في غرام واحد من الحمض النووي - أكثر 100 مرة مما تم تحقيقه باستخدام طرق وخوارزميات أخرى.

تقتصر سعة تخزين بيانات الحمض النووي نظريًا على رقمين لكل نيوكليوتيد ، بالإضافة إلى جهاز الحمض النووي البيولوجي. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل جمع الأجزاء المسجلة وقراءتها ، من الضروري تضمين معلومات إضافية ، والتي تقلل لاحقًا من السعة إلى 1.8 حرفًا ثنائيًا في النوكليوتيد. تسمح لك خوارزمية DNA Fountain بوضع متوسط ​​1.6 بت في كل نيوكليوتيد - وهذا يزيد بنسبة 60٪ عن الممكن سابقًا ، كما أنه قريب من حد 1.8 بت.

تبقى العقبة الرئيسية أمام نشر التكنولوجيا على نطاق واسع هي تكلفتها. أنفق الباحثون 7 آلاف دولار لتجميع الحمض النووي وأرشفة 2 ميغابايت من البيانات ، و 2000 أخرى لفك تشفيرها. وعلى الرغم من أن تكلفة تسلسل الحمض النووي تتناقص تدريجيًا ، إلا أن تركيبها لا يزال يكلف مبلغًا دائريًا. المستثمرون ليسوا مستعدين لاستثمار أطنان من المال فقط لجعل التوليف ينخفض ​​في السعر.

يقترح إيرليتش وفريقه طريقة أخرى لحل المشكلة: من الممكن تخفيض سعر توليف الحمض النووي إذا تم إنتاج جزيئات أقل جودة ، ثم استخدام استراتيجية تشفير مثل "نافورة الحمض النووي" لتصحيح الأخطاء الجزيئية.

تم نشر العمل العلمي في مجلة Science في 3 مارس 2017
دوى: 10.1126 / science.aaj2038