مولکول‌های زیستی در ذخیره‌سازی اطلاعات حجیم به یاری انسان‌ها می‌آیند
مایکروسافت: DNA مناسب‌ترین وسیله برای ذخیره‌سازی اطلاعات حجیم در دیتاسنترها
شرکت مایکروسافت به‌دنبال آن است تا رسانه‌های ذخیره‌ساز مبتنی بر DNA را به زیرساخت‌های ابری خود وارد کند. اما این شرکت چگونه و چه زمانی به این مهم دست پیدا خواهد کرد. این پرسشی است که در این مقاله به آن پاسخ خواهیم داد.

داده‌ها، داده‌ها و باز هم داده‌ها. کافی است به اطراف خود بنگرید تا دستگاه‌های ریز و درشتی را پیدا کنید که پیوسته در حال تولید اطلاعات هستند. اگر چند سال قبل به شما می‌گفتیم دستگاه‌های اینترنت اشیای مرسوم حجم عظیمی از داده‌ها تولید می‌کنند، اکنون به شما می‌گوییم دستگاه‌‌های اینترنت اشیای صنعتی نیز به جمع تولیدکنندگان داده‌ها پیوسته‌اند. امروزه حتی یک کاربر خانگی نیز قادر است در کمتر از یک سال یک هارددیسک 2 ترابایتی را پر کند. حال تصور کنید سازمان‌های بزرگی همچون بانک‌ها و مؤسسات بیمه‌گر و درنهایت مراکز داده‌ها با چه حجم وحشتناکی از داده‌ها روبه‌رو هستند. شتاب روزافزون تولید داده‌ها شرکت‌های بزرگ عرصه فناوری و پژوهشگران را به فکر انداخته‌ است که تا چه اندازه می‌توانند روی رسانه‌های ذخیره‌ساز معمول حساب باز کنند؟ بدون شک رسانه‌های ذخیره‌ساز فعلی در چند سال آینده با محدودیت فضای ذخیره‌سازی مواجه خواهند شد. همین موضوع باعث شده است تا پژوهشگران به‌سراغ ایده‌های ورای تصور بروند. ایده‌هایی که بر پایه زیست‌شناسی قادرند مشکل ذخیره‌سازی داده‌ها را حل کنند. همین موضوع شرکت‌های بزرگ عرصه فناوری را به فکر انداخته است تا به‌طور جدی روی این موضوع سرمایه‌گذاری‌های کلانی انجام دهند. ازجمله شرکت‌های بزرگی که به این حوزه وارد شده‌اند و سعی دارند پیشتاز دستیابی به چنین فناوری قدرتمندی باشند مایکروسافت است. این شرکت به‌دنبال آن است تا رسانه‌های ذخیره‌ساز مبتنی بر DNA را به زیرساخت‌های ابری خود وارد کند. اما این شرکت چگونه و چه زمانی به این مهم دست پیدا خواهد کرد. این پرسشی است که در این مقاله به آن پاسخ خواهیم داد.

مطلب پیشنهادی

اطلاعات چگونه روی DNA ذخیره‌سازی می‌شوند؟
کنکاشی در یک ایده مافوق تصور

تحقیقات پژوهشگران شرکت مایکروسافت در ارتباط با ذخیره‌سازی فیلم‌ها و اسناد روی DNA نشان می‌دهد این شرکت موفقیت‌های چشم‌گیری در این زمینه به دست آورده است. این شرکت موفق به طراحی و توسعه دستگاهی شده است که با اتکا بر زیست‌شناسی این توانایی را به دست آورده تا به‌جای درایوهای ذخیره‌ساز مورد استفاده قرار گیرد. مهندسان و معماران ارشد علوم کامپیوتر در بخش تحقیقات مایکروسافت در قالب یک برنامه‌ریزی کاملاً دقیق به‌دنبال آن هستند تا پایان همین دهه یک سیستم ذخیره‌ساز کاملاً ایمن مبتنی بر DNA را طراحی و عملیاتی کنند. سیستمی که قرار است در مرحله اول در یکی از مراکز داده‌های این شرکت به‌طور آزمایشی مورد استفاده قرار گیرد. داگ کارمین معمار ارشد بخش پژوهش‌های مایکروسافت می‌گوید: «هدف ما این است که در 3 سال آینده یک برند تجاری موفق را به ثبت برسانیم. برندی که قادر باشد DNA را به‌عنوان ذخیره‌ساز اطلاعات به کار ببرد و مهم‌تر از آن از این برند به‌صورت آزمایشی و در مقیاس تجاری حداقل در یکی از مراکز داده‌های مایکروسافت استفاده کنیم. این حداقل کارکردی است که برای این سیستم متصور شده‌ایم. دستگاهی که ما در حال طراحی آن هستیم، ابعادی در اندازه یک دستگاه زیراکس مدل 70 دارد.» در یک دهه گذشته پژوهشگران به‌طور جدی روی DNA متمرکز شده‌ و به این حقیقت مهم اشراف پیدا کرده‌اند که DNA به‌شکلی کاملاً ایمن و مهم‌تر از آن بسیار کارآمد این پتانسیل را دارند تا به‌منظور ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار گیرند. 6 سال پیش (2011 میلادی) جورج چرچ پژوهشگر دانشگاه هاروارد برای نخستین بار ایده به‌کارگیری DNA در قالب یک رسانه ذخیره‌ساز را مطرح کرد. او موفق شد کتاب خود که مشتمل بر چند تصویر و یک برنامه جاوااسکریپت بود روی مولکول‌های DNA کدگذاری کند. 

مطلب پیشنهادی

هوش مصنوعی در حال ساخت داروهایی برای درمان بیماری‌ها است

تجربه قبلی مایکروسافت در زمینه به‌کارگیری DNA موفقیت‌آمیز بوده است
سال گذشته میلادی گروهی از پژوهشگران مایکروسافت با همکاری دانشگاه واشنگتن موفق شدند در زمینه ثبت اطلاعات روی DNA رکورد جدیدی را به ثبت برسانند. آن‌ها موفق شدند 200 مگابایت داده را روی DNA ذخیره‌سازی کنند (شکل 1).

شکل 1 - 200 مگابایت داده‎های ذخیره شده روی DNA فضایی کمتر از نوک یک مداد را اشغال کرده‎اند.

 امسال نیز پژوهشگران این شرکت موفق شدند یک فیلم کلاسیک فرانسوی (1895)، یک ویروس کامپیوتری و یک کارت هدیه50 دلاری آمازون را با موفقیت روی DNA ذخیره‌سازی کنند. پژوهشگران بر این باورند که DNA ایده‌ال‌ترین راهکار به‌منظور ذخیره‌سازی حجم عظیمی از اطلاعات است. به‌واسطه آنکه مولکول فوق دقیقاً برای همین منظور ساخته شده است. DNA این توانایی را دارد تا همه اطلاعات مربوط به یک انسان را در فضایی بسیار کوچک در خود نگهداری کند. در حالی که شیوه ثبت و حفظ اطلاعات روی DNA مشابه با رویکردی است که ما امروزه در ارتباط با سخت‌افزارهای خود از آن استفاده می‌کنیم، با این حال تفاوتی وجود دارد. پژوهشگران به‌جای سر و کار داشتن با صفرها و یک‌ها، با چهار وضعیت A/G/C/T سر و کار دارند. در حالی که پژوهش‌های اولیه در این زمینه امیدبخش بوده‌اند، هنوز هم چالش‌هایی در ارتباط با به‌کارگیری عمومی این فناوری وجود دارد. در شرایطی که به‌لحاظ هزینه تعیین توالی DNA نسبت به سال‌های قبل ارزان‌تر شده است، اما هنوز هم مقرون به صرفه نیست. در نتیجه این امکان وجود ندارد تا در مقطع فعلی از این فناوری به‌منظور جایگزینی برای حافظه‌های فلش استفاده کنیم. برای دستیابی به قیمتی قابل قبول، شرکت‌های بزرگ باید گام‌های سازنده‌ای در این زمینه بردارند. در همین ارتباط شرکت ایلومینا اعلام کرده است که در کمتر از 10 سال دیگر هزینه تعیین توالی کلی ژنوم انسان را به قیمتی کمتر از 100 دلار تقلیل خواهد داد. هرچه تعاملات شرکت‌ها با یکدیگر بیشتر باشد و تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود، به همان نسبت شانس ما در دستیابی به ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA در آینده نزدیک بیشتر خواهد بود. 

مطلب پیشنهادی

کامپیوترهای مبتنی بر DNA ساخته می‌شوند

مایکروسافت تمایل دارد یکه‌تاز این میدان باشد
مایکروسافت درباره ایده‌ها و فناوری‌های خاص خود رویکردی کاملاً بلندپروازانه و تاحدی جسورانه دارد. این شرکت به‌دنبال آن است تا جایگزینی برای نوارگردان‌ها (Drive Tape) پیدا کند. نوارگردان‌ها یکی از رایج‌ترین فرمت‌هایی هستند که به‌منظور آرشیو اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. کارمن در این ارتباط گفته است: «امیدواریم برندی تجاری تحت عنوان Your Storage with DNA را طراحی کنیم.» این رویکرد مایکروسافت نشان می‌دهد، غول‌های بزرگ دنیای فناوری کاملاً مصمم هستند تا ایده ذخیره‌سازی ویدئو، عکس و دیگر اطلاعات ارزشمند روی مولکول‌هایی که سازنده ژن‌های ما هستند را به سرانجام برسانند. 

چالش‌های مختلف ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA 
ویکتور ژیرنف دانشمند ارشد شرکت Semiconductor Research Corporation در این ارتباط می‌گوید: «شرکت‌های عرصه فناوری و صنایع فعال در عرضه صنایع الکترونیکی در سراسر جهان به‌دنبال آن هستند تا ابعاد و اندازه کامپیوترها را به‌مراتب کوچک‌تر از آن چیزی که امروزه در حال استفاده از آن‌ها هستیم تبدیل کنند. با وجود این شرکت‌ها در زمینه کوچک کردن حافظه‌های فعلی به‌لحاظ فیزیکی با چالش‌هایی روبه‌رو هستند. در مقطع فعلی این امکان وجود ندارد تا ابعاد فیزیکی حافظه‌ها را کوچک‌تر از آن چیزی کرد که اکنون ساخته می‌شوند. اما DNA این پتانسیل را دارد تا حجم بسیار عظیمی از داده‌ها را در فضایی بسیار ناچیز ذخیره‌سازی کند. اگر در نظر داشته باشیم تمام فیلم‌هایی که تا به امروز ساخته شده‌اند روی DNA ذخیره‌سازی کنیم، به فضایی کمی بزرگ‌تر از یک حبه قند نیاز داریم. بله درست شنیده‌اید. DNA این پتانسیل را دارد تا داده‌ها را در یک تراکم باورنکردنی ذخیره‌سازی کند. DNA چگالی‌ترین ماده‌ای است که در تمام جهان هستی وجود داشته و این توانایی را دارد تا تمام اطلاعات جهان ما را در خود جای دهد.

این فرضیه درست منطبق با قوانین فیزیک است. اکنون که آگاه شدید DNA در زمینه ذخیره‌سازی اطلاعات چه توانایی‌هایی دارد، به‌خوبی عطش مفرط شرکت‌های بزرگ در زمینه دستیابی به چنین فناوری پیشرفته‌ای را درک می‌کنید. با توجه به حجم و گسترد‌گی اطلاعاتی که امروزه تولید می‌شوند و این رشد نمایی داده‌ها در چند سال آینده بیشتر نیز خواهد شد، در نتیجه کاملاً منطقی به نظر می‌رسد که شرکت‌ها به‌دنبال ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA باشند.» مایکروسافت در ماه جولای سال گذشته میلادی به‌طور عمومی اعلام کرد که با موفقیت توانسته‌ است 200 مگابایت داده‌های صوتی و ویدئویی را در یک رشته DNA ذخیره‌سازی کند. به‌دنبال آن مقاله‌ای از سوی کارت اشتراوس از پژوهشگران ارشد مایکروسافت و لوئیس چزه از پژوهشگران علوم کامپیوتر دانشگاه واشینگتن در این ارتباط منتشر شد. مهم‌ترین مشکلی که در مقطع فعلی غول‌های فناوری با آن روبه‌رو هستند، طراحی حافظه‌های کاربردی مبتنی بر DNA است که به شکلی مؤثر و مهم‌تر از آن پایدار این توانایی را داشته باشند تا اطلاعات را در خود جای دهند و مهم‌تر از آن اطلاعات را از روی آن‌ها بخوانند. مشکل دوم به هزینه‌بر بودن این فناوری بازمی‌گردد. شما برای آنکه بتوانید کدهای دیجیتالی دودویی را به یک رشته DNA که از زنجیره‌ای از چهار نوع نوکلئونید A/B/C/D تشکیل شده تبدیل کنید، باید هزینه‌ زیادی را صرف کنید. به‌واسطه آنکه سلسله فرآیندهای پیچیده شیمیایی که در سنتز DNA مورد استفاده قرار می‌گیرند کاملاً هزینه‌بر هستند. در آزمایشی که مایکروسافت در این ارتباط با موفقیت آن‌ را به سرانجام رساند، از 13.448.372 رشته DNA منحصر به فرد استفاده کرد. برآورد شده است که مایکروسافت به‌منظور کامل کردن این پروژه و خرید مواد مورد نیاز آن از بازار آزاد چیزی در حدود 800 هزار دلار هزینه کرده است. 

مهم‎ترین و شاخص‎ترین ویژگی DNA در ارتباط با چگالی آن است. یک میلی‎متر مکعب DNA قادر است 1,000,000,000,000,000,000 بایت اطلاعات را در خود جای دهد

یانیو ارلیخ استاد دانشگاه کلمبیا که به‌تازگی مقاله‌ای در ارتباط با راهکار نوین ذخیره‌سازی داده‌ها روی DNA منتشر کرده در این ارتباط گفته است: «بزرگ‌ترین مشکلی که پیش روی ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA وجود دارد به قیمت تمام شده آن بازمی‌گردد که در حال حاضر مقرون به صرفه نیست. در نتیجه ما به این پرسش مهم می‌رسیم که آیا مایکروسافت در این زمینه موفق بوده و از چه راهکاری برای کاهش هزینه‌های این فرآیند استفاده کرده است؟ مایکروسافت تاکنون به این موضوع هیچ‌گونه اشاره‌ای نکرده است، اما به نظر می‌رسد این شرکت به راه‌ حل قابل قبولی در این زمینه دست پیدا کرده است. شرکت‌ها عمدتاً در زمینه این راه‌ حل‌ها تمایلی ندارند جزئیات را منتشر کنند، به‌واسطه آنکه همیشه پای مباحثی همچون جاسوسی صنعتی و مالکیت فکری در میان است.» مایکروسافت پیش‌تر اعلام کرده بود برای آنکه بتواند حافظه‌های مبتنی بر DNA را به‌لحاظ تجاری تولید کند، مجبور است قیمت نهایی آن را تا حد بسیار زیادی پایین آورده تا امکان خرید آن توجیه‌پذیر شود. بسیاری از کارشناسان گفته‌اند این صحبت‌های مایکروسافت هیچ‌گاه رنگ واقعیت به خود نخواهد دید. اما این شرکت امیدوار است به چنین رویکردی در این زمینه نائل شود. مسئله دیگری که در ارتباط با DNA وجود دارد به نحوه نوشتن داده‌های دیجیتال در قالب DNA بازمی‌گردد. کارمین در این ارتباط می‌گوید: «با توجه به آزمایشی که مایکروسافت به‌تازگی انجام داده و حجم داده‌هایی که موفق شده است با موفقیت روی DNA ذخیره‌سازی کند، حدس می‌زنم سرعت نوشتن نباید چیزی فراتر از 400 بایت در ثانیه باشد. حتی خود مایکروسافت نیز به این حقیقت اذعان دارد تا رسیدن به‌سرعتی قابل قبول همچون 100 مگابایت بر ثانیه راه درازی در پیش دارد.» در حالی که نوشتن چالش‌های خاص خود را دارد، اما در مقابل خواندن اطلاعات ذخیره شده روی DNA فرآیند ساده‌تری است(شکل 2). 

شکل 2- داده‎های DNA روی صفحه‎ نمایش یک کامپیوتر شخصی

 

مطلب پیشنهادی

ساخت کوچک‌ترین دیود دنیا با مولکول DNA
پیشرفتی که تجهيزات الکترونیک و دستگاه‎ها را به سمت ابعاد نانو سوق خواهد داد

برای خواندن اطلاعات از روی DNA به یک دستگاه سریع توالی‌یاب DNA نیاز است تا قادر باشد اطلاعات را درست مشابه با فرآیند خواندن اطلاعات از روی هارددیسک بخواند(شکل 3). 
مایکروسافت بر این باور است که اگر سرعت خواندن داده‌ها را به دوبرابر افزایش دهد، می‌توان به‌منظور کاربردهای تجاری از آن استفاده کرد. با توجه به آنکه فرآیند بازنویسی داده‎ها در قالب DNA به‌‌کندی انجام می‌شود، در نتیجه کارشناسان بر این باورند در حالت اولیه این فناوری در شرایط خاص مورد استفاده قرار می‎گیرد. به‎ طور مثال، اطلاعاتی که به‌لحاظ قانونی و حقوقی باید ذخیره‎سازی شوند و هیچ‎گاه نباید تغییری در آن‎ها رخ دهد و مهم‎تر از آن پاک شوند، ازجمله این موقعیت‎های خاص هستند. همچنین، اطلاعات ضبط شده از سوی دوربین‎های امنیتی و سوابق پزشکی نیز از اطلاعاتی هستند که نباید هیچ‎گاه از دست بروند. مایکروسافت در زمینه کار روی DNA با شرکت توئیست بیوسانیس که در سان‌فرانسیسکو مستقر است، قرارداد همکاری منعقد کرده است. اما توئیست بیوسانیس تنها شرکتی نیست که در زمینه DNA به‎طور جدی به فعالیت اشتغال دارد. از دیگر استارت‌آپ‎های شاخص و فعال در این زمینه می‎توان به DNAScript، Nuclera Nucleics، Evonetix، Molecular Assemblies، Catalog DNA، Helixworks و Genome Foundry اشاره کرد. استارت‌آپ‎هایی که به آن‎ها اشاره شد، به‌دنبال آن هستند تا رویکرد ساخت DNA را دستخوش تغییر سازند. به عبارت دیگر، بتوانند از طریق آنزیم‎ها DNA را به شکلی متفاوت از آن چیزی که بدن ما تولید می‎کند ایجاد کنند. جین بولوت سرپرست تیم تحقیقاتی شرکت تکنی‌کالر در این ارتباط می‎گوید: «دانشگاه هاروارد روی پژوهشی که ما در حال انجام آن هستیم سرمایه‎گذاری کرده است. حتی جورج چرچ کارشناس ژنومیک این دانشگاه نیز در این زمینه به نتایح امیدبخشی دست پیدا کرده است. بدون شک تا قبل از پایان سال 2017 به موفقیت‎هایی در این زمینه نائل خواهیم شد.» در همین ارتباط شرکت تکنی‌کالر با استودیوهای بزرگ فیلم‎سازی در حال مذاکره است. 

شکل 3- ردیفی از دستگاه‎های تعیین توالی DNA 

متأسفانه حجم قابل توجهی از فیلم‎های تولید شده از سوی این استودیوها که تاریخ ساخت آن‎ها به قبل از 1951 بازمی‎گردد و روی نوارهای سلولوئیدی ذخیره شده بودند، به‎ طور کامل از میان رفته‎اند. همچنین، فرآیند نگهداری از آرشیو حلقه فیلم‎های موجود نیز کاملاً هزینه‎بر بوده و مهم‎تر از آن به مکان بزرگی برای نگهداری آن‎ها نیاز است. اما برای آنکه بتوان بر دو مشکل فوق چیره شد، باید از فرآیند ذخیره‎سازی اطلاعات روی DNA استفاده شود. این تکنیک برای استودیوها دو مزیت بزرگ دارد. اول آنکه DNA از عمر بالایی برخوردار است و دوم آنکه فضای کمی اشغال می‎کند. شرکت ژیرنف نیز از سال 2013 میلادی فرآیند پژوهش روی تجاری‎سازی مفهوم ذخیره‎سازی اطلاعات را روی بستر DNA آغاز کرد. شرکتی که امروزه نام‎آوران بزرگ عرضه فناوری همچون مایکروسافت، اینتل و... از مشتریان بالقوه این شرکت هستند.

مطلب پیشنهادی

چه اتفاقی می‌افتد اگر شبکه‎های اجتماعی به اطلاعات ژنتیکی ما دست یابند؟
آزمايش دی‎ان‎ای، تهديد جدیدی برای حفظ حريم خصوصی

ویکتور ژیرنف بنیان‎گذار این شرکت در این ارتباط گفته است: «زمانی که روی این فناوری متمرکز شدیم، کارشناسان تجهیزات ذخیره‎ساز اطلاعات که عمدتاً با مواد نیمه‌رسانا همچون سیلیکون کار می‎کنند، بر این باور بودند که DNA به‌مانند بافت بدن ممکن است دستخوش تغییر و خرابی شود. در نتیجه یک گزینه به‌شدت ناپایدار برای ذخیره‎سازی اطلاعات به شمار می‎رود. در حالی که واقعیت این است که DNA از عمری هزار مرتبه بیشتر از دستگاه‎های سیلیکونی برخوردار است. این مولکول به‌شدت پایدار است. برای اثبات این حرف فرآیند بازیابی مولکول‌ها از استخوان‌های ماموت‎هایی را مشاهده کنید که هزاران سال پیش مرده‎اند. اما مهم‎ترین و شاخص‎ترین ویژگی DNA در ارتباط با چگالی آن است. یک میلی‎متر مکعب DNA قادر است 1,000,000,000,000,000,000 بایت اطلاعات را در خود جای دهد. 
ما در عصری زندگی می‎کنیم که همه چیز به‌سمت کوچک‎تر شدن سوق پیدا کرده است. اگر یک فلاپی‎دیسک قدیمی در اختیار دارید و اکنون در نظر داشته باشید محتوای آن ‎را مشاهده کنید، درست به همان اندازه‎ای که در خواندن دست‎نوشته‎های باستانی هیروگلیف با مشکل روبه‌رو خواهید شد، در خواندن فلاپی‎دیسک‎ خود نیز مشکل خواهید داشت. این در حالی است که برای بازیابی و خواندن دومرتبه اطلاعاتی که روی DNA قرار دارند نه تنها در آینده نزدیک، بلکه در آینده دور نیز هیچ‎گاه با چنین مشکلی روبه‌رو نخواهید شد.»

برچسب: