أظهر الباحثون في Microsoft وجامعة واشنطن أول نظام للحمض النووي للقراءة آليا بالكامل في الحمض النووي المصطنع. هذه خطوة أساسية نحو نقل التكنولوجيا الجديدة من مختبرات الأبحاث إلى مراكز البيانات التجارية.
أكد المطورون الفكرة من خلال اختبار بسيط: لقد نجحوا في تشفير كلمة "مرحبًا" في أجزاء من جزيء الحمض النووي الاصطناعي وتحويلها مرة أخرى إلى بيانات رقمية باستخدام نظام متكامل تلقائيًا ، والذي تم وصفه في مقال نُشر في 21 مارس في Nature Scientific Reports.
هذا المقال موجود على موقعنا.في جزيئات الحمض النووي ، يمكنك تخزين المعلومات الرقمية بكثافة عالية جدًا ، أي في الفضاء المادي ، حيث تكون الطلبات كثيرة الحجم أصغر من مراكز البيانات الحديثة. هذا أحد الحلول الواعدة لتخزين كمية هائلة من البيانات التي يولدها العالم يوميًا ، بدءًا من سجلات الأعمال ومقاطع الفيديو ذات الحيوانات اللطيفة إلى الصور الطبية والصور من الفضاء.
تستكشف Microsoft طرقًا لسد الفجوة المحتملة بين كمية البيانات التي ننتجها وتريد تخزينها وقدرتنا على تخزينها. ومن بين هذه الطرق تطوير خوارزميات وتقنيات الحوسبة الجزيئية لتشفير البيانات في الحمض النووي الاصطناعي . هذا من شأنه أن يسمح لجميع المعلومات المخزنة في مركز البيانات الحديثة كبيرة لتتناسب مع مساحة مساوية تقريبا لحجم النرد عدة.
"هدفنا الرئيسي هو تشغيل نظام سيبدو للمستخدم النهائي مثله مثل أي نظام تخزين سحابي آخر: يتم إرسال المعلومات إلى مركز البيانات وتخزينها هناك ، ثم تظهر ببساطة عندما يحتاج العميل إليها" ، كما يقول كبير الموظفين. باحثة مايكروسوفت كارين شتراوس. "لهذا ، كنا بحاجة لإثبات أنه من المنطقي العملي من وجهة نظر الأتمتة."
يتم تخزين المعلومات في جزيئات الحمض النووي الاصطناعية التي تم إنشاؤها في المختبر ، وليس في الحمض النووي للبشر أو الكائنات الحية الأخرى ، ويمكن تشفيرها قبل إرسالها إلى النظام. على الرغم من أن الآلات المعقدة ، مثل المزج والمتسلسلات ، تقوم بالفعل بأجزاء رئيسية من العملية ، إلا أن العديد من الخطوات الوسيطة ما زالت تتطلب عملاً يدويًا في مختبر الأبحاث. وقال كريس تاكاهاشي ، زميل أقدم في كلية بول ألين لعلوم وهندسة الكمبيوتر في الجامعة الأمريكية لعلوم الحاسوب والتكنولوجيا: "هذا ليس مناسبًا للاستخدام التجاري".
وأوضح تاكاهاشي: "لا يمكن للأشخاص الذين لديهم فضلات أن يركضوا حول مركز البيانات ، ومن خلال هذا النهج ، فإن احتمال حدوث خطأ بشري مرتفع للغاية ، وهو مكلف للغاية ويتطلب مساحة كبيرة".
من أجل أن تكون طريقة تخزين البيانات هذه منطقية من وجهة نظر تجارية ، من الضروري تقليل تكلفة تركيب الحمض النووي - إنشاء لبنات بناء أساسية ذات تسلسل كبير ، وعملية التسلسل ، وهي ضرورية لقراءة المعلومات المخزنة. يقول الباحثون أن هناك تطورا سريعا في هذا الاتجاه.
وفقًا للباحثين من Microsoft ، يعد التشغيل الآلي جزءًا رئيسيًا آخر من هذا اللغز ، حيث يتيح لك تنظيم تخزين البيانات على نطاق تجاري وجعله أكثر سهولة.
في ظل ظروف معينة ، يمكن أن يوجد الحمض النووي لفترة أطول بكثير من أدوات التخزين الأرشيفية الحديثة التي تم تدميرها على مدى عقود. تمكنت بعض الحمض النووي من البقاء في ظروف بعيدة عن المثالية لعشرات الآلاف من السنين - في الأنياب العملاقة وفي عظام البشر الأوائل. لذلك ، يمكن تخزين البيانات بهذه الطريقة ، طالما توجد البشرية.
يستخدم نظام تخزين الحمض النووي الآلي البرمجيات التي طورتها مايكروسوفت وجامعة واشنطن (UW). إنه يحول وحدات وأصفار البيانات الرقمية إلى تسلسلات النيوكليوتيدات (A و T و C و G) ، وهي "لبنات بناء" الحمض النووي. ثم يستخدم النظام معدات مخبرية غير مكلفة ، معظمها قياسية ، لتزويد الموائع بالسوائل والكواشف الضرورية ، التي تجمع شظايا الحمض النووي المحضرة وتضعها في خزان تخزين.
عندما يحتاج النظام إلى استخراج المعلومات ، فإنه يضيف مواد كيميائية أخرى لإعداد الحمض النووي بشكل صحيح ويستخدم مضخات ميكروفلويديك لدفع السوائل إلى تلك الأجزاء من النظام التي تقرأ تسلسل جزيئات الحمض النووي وتحويلها مرة أخرى إلى معلومات يمكن قراءتها بواسطة الكمبيوتر. يقول الباحثون إن الهدف من المشروع لم يكن إثبات أن النظام يمكن أن يعمل بسرعة أو بثمن بخس ، ولكن ببساطة لإظهار أن التشغيل الآلي ممكن.
واحدة من أكثر مزايا نظام تخزين الحمض النووي الآلي هو أنه يحرر العلماء من حل المشكلات المعقدة ، مما يلغي الحاجة إلى إضاعة الوقت في البحث عن زجاجات الكاشف أو إضافة قطرات سائلة من الأنابيب إلى أنبوب الاختبار.
وقال بيهلن نجوين ، الباحث في Microsoft: "إن وجود نظام آلي لأداء العمل المتكرر يتيح لموظفي المختبر إجراء البحوث مباشرة ، وتطوير استراتيجيات جديدة للابتكار بشكل أسرع".
لقد أثبت فريق مختبر نظم المعلومات الجزيئية (MISL) بالفعل أن بإمكانهم تخزين صور القطط ، والأعمال الأدبية العظيمة ، وأشرطة الفيديو والسجلات الأرشيفية في الحمض النووي واسترداد هذه الملفات دون أخطاء. حتى الآن ، تمكنوا من حفظ 1 غيغابايت من البيانات في الحمض النووي ، محطماً الرقم القياسي العالمي السابق البالغ 200 ميجابايت .
طور الباحثون أيضًا طرقًا لإجراء عمليات حسابية ذات معنى ، مثل البحث عن الصور التي تحتوي على تفاحة أو دراجة خضراء واستردادها فقط ، باستخدام الجزيئات نفسها للقيام بذلك ، دون تحويل الملفات مرة أخرى إلى تنسيق رقمي.
"من الآمن أن نقول إننا نشهد ولادة نوع جديد من نظام الكمبيوتر تستخدم فيه الجزيئات لتخزين البيانات ، وتستخدم الإلكترونيات للتحكم والمعالجة. قال لويس سيسي ، الأستاذ في كلية ألن بجامعة واشنطن ، إن هذا المزيج يفتح فرصًا مثيرة جدًا للمستقبل.
على عكس أنظمة الحوسبة القائمة على السيليكون ، يجب أن تستخدم أنظمة التخزين والحوسبة المعتمدة على الحمض النووي السوائل لتحريك الجزيئات. لكن السوائل تختلف بطبيعتها عن الإلكترونات وتتطلب حلولًا تقنية جديدة تمامًا.
يقوم فريق جامعة واشنطن ، بالتعاون مع Microsoft ، أيضًا بتطوير نظام قابل للبرمجة يقوم بأتمتة التجارب المعملية باستخدام خصائص الكهرباء والماء لنقل قطرات على شبكة قطب كهربائي. يمكن لمجموعة كاملة من البرامج والأجهزة ، المعروفة باسم Puddle و PurpleDrop ، خلط السوائل المختلفة وفصلها أو تسخينها أو تبريدها وتشغيل بروتوكولات المختبرات.
والهدف من ذلك هو أتمتة التجارب المعملية التي يتم تنفيذها حاليًا يدويًا أو بواسطة روبوتات مكلفة لمعالجة السوائل وتخفيض التكاليف.
تشمل الخطوات التالية لفريق MISL دمج نظام آلي بسيط من طرف إلى آخر مع تقنيات مثل Purple Drop ، بالإضافة إلى التقنيات الأخرى التي تسمح لك بالبحث في جزيئات الحمض النووي. قام الباحثون على وجه التحديد بتكوين نظام آلي خاص بهم بحيث يمكن أن يتطور كتقنيات جديدة لتوليف الحمض النووي وتسلسله وعمل الحمض النووي.
وقال نغوين "من مزايا هذا النظام أنه إذا أردنا استبدال أحد الأجزاء بشيء جديد ، أفضل أو أسرع ، يمكننا توصيل جزء جديد". "إنها تعطينا مرونة كبيرة للمستقبل".
أعلى الصورة: قام الباحثون في Microsoft وجامعة واشنطن بتسجيل وقراءة كلمة الترحيب باستخدام أول نظام لتخزين بيانات الحمض النووي مؤتمت بالكامل. هذه خطوة أساسية في نقل التكنولوجيا الجديدة من المختبرات إلى مراكز البيانات التجارية.