בעולם מונע נתונים, יצירת מרכזים שיכולים לאחסן בזול, במהירות וביעילות
מערכת אחסון DNAנשמע כמו מדע בדיוני. אבל פתרונות כאלה כבר יושמו. נכון, עד כה בעיקר לצורכי מחקר ולאחסון נתוני ארכיון שאין צורך להשתמש בהם לעיתים קרובות. המגבלה העיקרית לעבודה עם DNA היא הקושי בגישה מקבילה מהירה למספר רב של קבצים ושגיאות קריאה וכתיבה.
צוות בינלאומי של חוקרים התפתחטכנולוגיה שיכולה לבטל את החסרונות הקיימים. אחד ממחברי המחקר, שפורסם בכתב העת Nature, בטוח ששימוש בפתרון המוצע בתוך 5-10 שנים, מרכזי נתונים מלאים המבוססים על DNA יהפכו למציאות.
DNA כמערכת אחסון נתונים
הרעיון של שימוש בחוטי DNA לאחסון נתוניםנידון במשך עשרות שנים. עוד ב-1988, החוקרים והאמן של הרווארד ג'ו דייוויס קידד תמונה בגודל 5 על 7 פיקסלים של רונה גרמנית עתיקה (35 סיביות מידע בסך הכל) ל-DNA הכלולה בחיידק E. coli. אבל הדוגמה הזו הייתה רק הדגמה של אפשרויות עתידיות: הטכנולוגיה הייתה יקרה ומורכבת מדי.
מבחינה טכנית, אחסון נתונים ב-DNA הפך לאפשרי,כאשר בשנת 2011 פיתחו חוקרי הרווארד טכנולוגיה לסינתזת DNA מבוקרת. מחקר נוסף בתחום הזה הפחית מאוד את העלות והגדיל את מהירות יצירת הדנ"א הסינטטי המכיל את רצפי הדנ"א הרצויים.
לאחסן מידע ב-DNA במקום ה-0 הרגילו-1, המשמשים לקידוד נתונים, ניתן להשתמש בצמדי הבסיס "אדנין - תימין" ו"ציטוזין - גואנין". במעבדה משולבים הבסיסים בסדר מסוים ליצירת גדילים סינתטיים של DNA.
היתרונות של DNA
לאחסון נתונים ב-DNA יש יתרונות רבים.לדוגמה, קובץ DNA אינו תופס מקום רב: בשל הצפיפות הגבוהה של המולקולה, כל נוקלאוטיד, שווה ערך לשני ביטים, הוא בערך 1 ננומטר³. ו-exabyte של נתונים (1,000,000 TB) המאוחסנים כ-DNA יכול להיכנס לכף היד שלך. ה-DNA גם יציב ביותר - גילוי קוד גנטי משומר במאובנים של מיקרואורגניזמים ובעלי חיים עתיקים הוא דוגמה מצוינת לכך. וחוץ מזה, טכנולוגיה זו אינה דורשת עלויות אנרגיה משמעותיות.
הבעיה היא שאם בשאלותמכיוון שהפתרונות הקיימים עובדים מספיק טוב לכתיבת נתונים (למרות שהם נשארים יקרים יחסית), מתחילות להתעורר בעיות בקריאה. שיטת הגישה האקראית PCR המשמשת כיום לקריאה מועדת למספר רב של שגיאות. מערכות יכולות לקרוא רק קובץ אחד בכל פעם, ואיכות הנתונים יורדת קשות עם כל קריאה.
תהליך הקריאה פועל באופן הבא:כל קובץ נתונים ב-DNA כולל רצף הנקשר לפריימר ספציפי. באמצעות תגובת שרשרת פולימראז (PCR), החוקרים מתחילים בתהליך של סינתזה של מיליוני עותקים של הפרגמנט הרצוי.
אותו עיקרון עובד, למשל,בדיקת נגיף קורונה: בהשפעת פריימר סינטטי מסוים, מתחילה תגובת שרשרת ואפילו כמות קטנה של DNA של וירוס הופכת לזיהוי. הבעיה היא שקריאת מספר קבצים נפרדים מצריכה מספר פריימרים לעבודה בו-זמנית, והדבר מוביל לשגיאות רבות בתהליך ההעתקה ולהרס ה-DNA המקורי.
טכנולוגיה ניתנת להרחבה
צוות בינלאומי של חוקרים מציעהשיטה שלדעתם תתגבר על מגבלות אלו היא PCR קבוע בחום. מדענים יצרו מיקרוקפסולות של חלבונים ופולימרים הפועלים כקבצים נפרדים של DNA. כל קפסולה כזו משויכת לקובץ נתונים אחד. בנוסף, הם מתוכננים בצורה כזו שכאשר מספר רב של מיקרו-קפסולות מחוממות לטמפרטורות מעל 50 מעלות צלזיוס, כל אחת מהקפסולות הללו אטומה.
זה מאפשר לתהליך ה-PCR לקרואמתרחשים באופן עצמאי בכל קפסולה, ומשאירים מעט מאוד מקום לטעויות. כאשר הטמפרטורה מתנרמלת, הקובץ המקורי נשאר מחובר לקפסולה, והקבצים שהועתקו עוזבים אותו. זה מונע מהנתונים וה-DNA המקוריים להיות פגומים.
גנטיקאים השתמשו בגישה החדשה שלהםקריאה בו זמנית של 25 קבצים המאוחסנים ב-DNA המפוצל. התוצאות היו חיוביות ובלתי צפויות. בממוצע, עם קפסולות תרמיות, אובדן הקריאה הוא 0.3% לאחר שלוש קריאות, לעומת 35% בשיטה הנוכחית.
מיקרוקפסולות מוכתמות עם תוויות פלורסנט. תמונה: טום דה גריף
ה"חידוש" השני - צבוע עם מיוחדקטלוג מתויג. לכל קובץ מוקצה תווית ניאון, ולכל קפסולה מוקצה צבע אחר. לאחר מכן מכשיר מיוחד יכול לזהות צבעים ולהפריד אותם זה מזה כדי להקל על מיון וחיפוש מידע במאגר גדול.
מחברי הטכנולוגיה בטוחים שהחידושים הללומספיק כדי ליצור מרכז נתונים מלא מבוסס DNA. "בחלק אחד של הבניין יקודדו קבצים חדשים באמצעות סינתזת DNA. השני יכיל שדות גדולים של כמוסות, כל אחד עם קובץ נפרד. הזרוע הרובוטית תוציא את הקפסולה, תקרא את תוכנה ותחזיר אותה", אומר אחד ממחברי המחקר. הנקודה קטנה: לחכות עד שהעלות של סינתזת ה-DNA תפחת עוד יותר, ועשור זה מספיק, המדענים בטוחים.
קרא עוד:
בינה מלאכותית מצאה ארבעה גיאוגליפים של נסקה - ציורי ענק במדבר
היעדר "גבשושי" ביקום הוסבר על ידי חלקיקים קלים במיוחד של חומר אפל
כמיליארד שנים, יום על פני כדור הארץ נמשך 19 שעות: חוקרים הסבירו מדוע
על הכריכה: תמונה מאת Freepik