ในโลกที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล การสร้างศูนย์ที่สามารถจัดเก็บได้ในราคาถูก รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพ
ระบบจัดเก็บดีเอ็นเอฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ แต่โซลูชันดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้แล้ว จริงอยู่ จนถึงตอนนี้ส่วนใหญ่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวิจัยและสำหรับการจัดเก็บข้อมูลจดหมายเหตุที่ไม่จำเป็นต้องใช้บ่อย ข้อจำกัดหลักในการทำงานกับ DNA คือความยากลำบากในการเข้าถึงไฟล์จำนวนมากแบบขนานอย่างรวดเร็ว และข้อผิดพลาดในการอ่านและเขียน
ทีมนักวิจัยนานาชาติได้พัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถขจัดข้อบกพร่องที่มีอยู่ หนึ่งในผู้เขียนของการศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature มั่นใจว่าการใช้โซลูชันที่เสนอภายใน 5-10 ปี ศูนย์ข้อมูลเต็มรูปแบบที่ใช้ DNA จะกลายเป็นความจริง
DNA เป็นระบบจัดเก็บข้อมูล
แนวคิดในการใช้สายดีเอ็นเอในการเก็บข้อมูลหารือกันมานานหลายทศวรรษ ย้อนกลับไปในปี 1988 นักวิจัยและศิลปินของ Harvard Joe Davies ได้เข้ารหัสรูปภาพขนาด 5 x 7 พิกเซลของอักษรรูนโบราณของเยอรมัน (ข้อมูลทั้งหมด 35 บิต) ลงใน DNA ที่รวมอยู่ในแบคทีเรีย E. coli แต่ตัวอย่างนี้เป็นเพียงการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในอนาคต: เทคโนโลยีนี้มีราคาแพงและซับซ้อนเกินไป
ในทางเทคนิคแล้ว การจัดเก็บข้อมูลใน DNA เป็นไปได้เมื่อในปี 2554 นักวิจัยของฮาร์วาร์ดได้พัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการสังเคราะห์ดีเอ็นเอแบบควบคุม การวิจัยเพิ่มเติมในพื้นที่นี้ช่วยลดต้นทุนและเพิ่มความเร็วในการสร้าง DNA สังเคราะห์ที่มีลำดับ DNA ที่ต้องการได้อย่างมาก
เพื่อเก็บข้อมูลไว้ใน DNA แทนที่จะเป็น 0 ปกติและ 1 ซึ่งใช้ในการเข้ารหัสข้อมูล สามารถใช้คู่ฐาน “อะดีนีน - ไทมีน” และ “ไซโตซีน - กัวนีน” ได้ ในห้องปฏิบัติการ ฐานจะรวมกันตามลำดับเฉพาะเพื่อสร้างสายสังเคราะห์ของ DNA
ประโยชน์ของดีเอ็นเอ
การจัดเก็บข้อมูลใน DNA มีข้อดีหลายประการตัวอย่างเช่น ไฟล์ DNA ไม่ใช้พื้นที่มากนัก: เนื่องจากโมเลกุลมีความหนาแน่นสูง นิวคลีโอไทด์แต่ละอันซึ่งเทียบเท่ากับสองบิตจึงมีขนาดประมาณ 1 นาโนเมตร และข้อมูลระดับเอกซะไบต์ (1,000,000 TB) ที่จัดเก็บเป็น DNA สามารถใส่ไว้ในมือคุณได้ ดีเอ็นเอยังมีความเสถียรอย่างมาก การค้นพบรหัสพันธุกรรมที่เก็บรักษาไว้ในซากดึกดำบรรพ์ของจุลินทรีย์และสัตว์โบราณเป็นตัวอย่างที่สำคัญของสิ่งนี้ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ไม่ต้องการต้นทุนพลังงานจำนวนมาก
ปัญหาก็คือว่าหากมีข้อสงสัยเนื่องจากโซลูชันที่มีอยู่ทำงานได้ดีเพียงพอสำหรับการเขียนข้อมูล (แม้ว่าจะยังคงมีราคาค่อนข้างแพง) ปัญหาจึงเริ่มเกิดขึ้นกับการอ่าน วิธีการเข้าถึงโดยสุ่ม PCR ที่ใช้ในปัจจุบันสำหรับการอ่านมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดจำนวนมาก ระบบสามารถอ่านได้ทีละไฟล์เท่านั้น และคุณภาพของข้อมูลจะลดลงอย่างมากเมื่ออ่านแต่ละครั้ง
กระบวนการอ่านทำงานดังนี้:ไฟล์ข้อมูลแต่ละไฟล์ใน DNA มีลำดับที่เชื่อมโยงกับไพรเมอร์เฉพาะ นักวิจัยเริ่มกระบวนการสังเคราะห์ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรส (PCR) เพื่อเริ่มต้นกระบวนการสังเคราะห์สำเนาของชิ้นส่วนที่ต้องการจำนวนหลายล้านชุด
ใช้หลักการเดียวกัน เช่นการทดสอบไวรัสโคโรนา: ภายใต้อิทธิพลของไพรเมอร์สังเคราะห์ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะเริ่มต้นขึ้น และแม้แต่ DNA ของไวรัสจำนวนเล็กน้อยก็สามารถตรวจจับได้ ปัญหาคือการอ่านไฟล์ที่แยกจากกันหลายไฟล์ต้องใช้ไพรเมอร์หลายตัวในการทำงานพร้อมกัน ซึ่งนำไปสู่ข้อผิดพลาดมากมายในกระบวนการคัดลอกและการทำลาย DNA ดั้งเดิม
เทคโนโลยีที่ปรับขนาดได้
ทีมนักวิจัยนานาชาติเสนอวิธีการที่พวกเขาเชื่อว่าจะเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ได้คือวิธี PCR คงที่ด้วยความร้อน นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างไมโครแคปซูลของโปรตีนและโพลิเมอร์ที่ทำหน้าที่เป็นไฟล์แยกของดีเอ็นเอ แต่ละแคปซูลดังกล่าวเชื่อมโยงกับไฟล์ข้อมูลหนึ่งไฟล์ นอกจากนี้ ยังได้รับการออกแบบในลักษณะที่เมื่อไมโครแคปซูลส่วนใหญ่ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่า 50 °C แคปซูลแต่ละแคปซูลจะถูกปิดผนึก
สิ่งนี้ทำให้กระบวนการ PCR สามารถอ่านได้เกิดขึ้นอย่างอิสระในแต่ละแคปซูลทำให้มีข้อผิดพลาดน้อยมาก เมื่ออุณหภูมิเป็นปกติ ไฟล์ต้นฉบับจะยังคงติดอยู่กับแคปซูล และไฟล์ที่คัดลอกจะปล่อยทิ้งไว้ สิ่งนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ข้อมูลดั้งเดิมและ DNA เสียหาย
นักพันธุศาสตร์ใช้วิธีการใหม่ในการอ่านพร้อมกัน 25 ไฟล์ที่เก็บไว้ใน DNA แยก ผลลัพธ์เป็นบวกและคาดไม่ถึง โดยเฉลี่ยแล้ว เมื่อใช้แคปซูลระบายความร้อน การสูญเสียการอ่านค่าจะอยู่ที่ 0.3% หลังจากการอ่านค่าสามครั้ง เทียบกับ 35% ด้วยวิธีปัจจุบัน
ไมโครแคปซูลย้อมด้วยฉลากเรืองแสง ภาพ: ทอม เดอ กรีฟ
“นวัตกรรม” ประการที่สอง - ทาสีด้วยความพิเศษแคตตาล็อกที่ติดแท็ก แต่ละไฟล์จะมีป้ายกำกับเรืองแสง และแต่ละแคปซูลจะมีสีที่แตกต่างกัน อุปกรณ์พิเศษสามารถจดจำสีและแยกสีออกจากกัน เพื่อให้ง่ายต่อการจัดเรียงและค้นหาข้อมูลในพื้นที่เก็บข้อมูลขนาดใหญ่
ผู้เขียนมั่นใจว่านวัตกรรมเหล่านี้เพียงพอที่จะสร้างศูนย์ข้อมูลที่ใช้ DNA เต็มรูปแบบ “ในส่วนหนึ่งของอาคาร ไฟล์ใหม่จะถูกเข้ารหัสโดยใช้การสังเคราะห์ดีเอ็นเอ อีกอันหนึ่งจะบรรจุแคปซูลขนาดใหญ่ แต่ละอันมีไฟล์แยกกัน แขนหุ่นยนต์จะนำแคปซูลออกมา อ่านเนื้อหาและวางกลับคืน” หนึ่งในผู้เขียนงานวิจัยกล่าว ประเด็นสำคัญคือการรอจนกว่าค่าใช้จ่ายในการสังเคราะห์ DNA จะลดลงมากกว่านี้ และสำหรับ 1 ทศวรรษนี้ก็เพียงพอแล้ว นักวิทยาศาสตร์มั่นใจ
อ่านเพิ่มเติม:
ปัญญาประดิษฐ์ได้พบ geoglyphs สี่ตัวของ Nazca ซึ่งเป็นภาพวาดขนาดยักษ์ในทะเลทราย
การไม่มี "ก้อน" ในเอกภพอธิบายได้ด้วยอนุภาคที่เบามากของสสารมืด
ประมาณหนึ่งพันล้านปี หนึ่งวันบนโลกกินเวลา 19 ชั่วโมง: นักวิจัยอธิบายว่าทำไม
บนหน้าปก: รูปภาพโดย Freepik