تخزين البيانات الرقمية للحمض النووي

تخزين البيانات الرقمية في الحمض النووي هو عملية ترميز وفك ترميز البيانات الثنائية من وإلى خيوط الحمض النووي المصنعة . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

على الرغم من أن الحمض النووي كوسيط تخزين يمتلك إمكانات هائلة نظراً لكثافته التخزينية العالية، إلا أن استخدامه العملي محدود للغاية حالياً بسبب تكلفته العالية وبطء أوقات القراءة والكتابة. ^{[ 3 ]}

في يونيو 2019، أفاد العلماء أن جميع نصوص ويكيبيديا الإنجليزية ، والبالغة 16 جيجابايت، قد تم ترميزها في حمض نووي اصطناعي . ^{[ 4 ]} وفي عام 2021، أفاد العلماء بتطوير برنامج مخصص لكتابة بيانات الحمض النووي، قادر على كتابة البيانات في الحمض النووي بسرعة 1 ميجابت في الثانية. ^{[ 5 ]}

توجد طرق عديدة لترميز البيانات في الحمض النووي. وتُعدّ الطرق الأمثل هي تلك التي تستخدم الحمض النووي بكفاءة عالية وتحمي من الأخطاء. ^{[ 6 ]} إذا كان الهدف هو تخزين الحمض النووي المُرسَل لفترة طويلة، كأن تكون ألف عام، فمن المفيد أيضًا أن يكون التسلسل اصطناعيًا بشكل واضح وأن يكون إطار القراءة سهل التحديد. ^{[ 6 ]}

يمكن استغلال الشفرة الوراثية داخل الكائنات الحية لتخزين المعلومات. علاوة على ذلك، يمكن استخدام البيولوجيا التركيبية لهندسة الخلايا باستخدام "مسجلات جزيئية" تسمح بتخزين واسترجاع المعلومات المخزنة في المادة الوراثية للخلية. ^{[ 1 ]} كما يمكن استخدام تقنية تحرير الجينات CRISPR لإدخال تسلسلات DNA اصطناعية في جينوم الخلية. ^{[ 1 ]} ولتشفير بيانات السلالة التطورية (مسجل الرحلة الجزيئية)، فإن ما يقارب 30 تريليون نواة خلوية لكل فأر * 60 موقع تسجيل لكل نواة * 7-15 بت لكل موقع ينتج عنه كتابة حوالي 2 تيرابايت لكل فأر (ولكن تتم قراءتها بشكل انتقائي للغاية). ^{[ 9 ]}

تعود فكرة تخزين البيانات الرقمية باستخدام الحمض النووي إلى عام 1959، عندما أوضح الفيزيائي ريتشارد فاينمان ، في كتابه "هناك متسع كبير في القاع: دعوة لدخول مجال جديد في الفيزياء"، الآفاق العامة لإنشاء أجسام اصطناعية مشابهة لأجسام العالم الميكروسكوبي (بما في ذلك الأجسام البيولوجية) وتتمتع بقدرات مماثلة أو حتى أوسع. ^{[ 11 ]} وفي عامي 1964-1965، نشر الفيزيائي السوفيتي ميخائيل سامويلوفيتش نيمان ثلاث مقالات حول التصغير الميكروسكوبي في الإلكترونيات على المستوى الجزيئي الذري، والتي قدمت بشكل مستقل اعتبارات عامة وبعض الحسابات المتعلقة بإمكانية تسجيل وتخزين واسترجاع المعلومات على جزيئات الحمض النووي DNA وRNA المصنعة. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} بعد نشر الورقة البحثية الأولى لـ MS Neiman، وبعد استلام المحرر لمخطوطة ورقته البحثية الثانية (8 يناير 1964، كما هو موضح في تلك الورقة)، نُشرت المقابلة مع عالم التحكم الآلي نوربرت وينر . ^{[ 15 ]} أبدى وينر أفكارًا حول تصغير ذاكرة الحاسوب، قريبة من الأفكار التي طرحها MS Neiman بشكل مستقل. وقد ذكر MS Neiman هذه الأفكار في ورقته البحثية الثالثة. يُروى هذا الموضوع بالتفصيل. ^{[ 16 ]}

كان أحد أقدم استخدامات تخزين الحمض النووي في تعاونٍ بين الفنان جو ديفيس وباحثين من جامعة هارفارد عام ١٩٨٨. تم تنظيم الصورة، المخزنة في تسلسل الحمض النووي في بكتيريا الإشريكية القولونية ، في مصفوفة ٥ × ٧، والتي شكلت، بعد فك شفرتها، صورةً لرونية جرمانية قديمة تُمثل الحياة والأرض الأنثوية. في هذه المصفوفة، تُقابل الأرقام ١١ البكسلات الداكنة، بينما تُقابل الأرقام ٠ البكسلات الفاتحة. ^{[ ١٧ ]}

في عام 2007، تم ابتكار جهاز في جامعة أريزونا يستخدم جزيئات التوجيه لترميز مواقع عدم التطابق داخل سلسلة الحمض النووي. ثم أمكن قراءة هذه المواقع غير المتطابقة عن طريق إجراء عملية هضم إنزيمي، وبالتالي استعادة البيانات. ^{[ 18 ]}

في عام 2011، أجرى جورج تشيرش، وسري كوسوري، ويوان غاو تجربةً لترميز كتابٍ بحجم 659 كيلوبايت شارك تشيرش في تأليفه. ولتحقيق ذلك، استخدم فريق البحث مطابقةً ثنائيةً، حيثُ يُمثَّل الصفر الثنائي إما بالأدينين أو السيتوزين ، ويُمثَّل الواحد الثنائي بالجوانين أو الثايمين. وبعد الفحص، وُجِد 22 خطأً في الحمض النووي. ^{[ 17 ]} 

في عام ٢٠١٢، نشر جورج تشيرش وزملاؤه في جامعة هارفارد مقالًا تم فيه ترميز الحمض النووي بمعلومات رقمية تضمنت مسودة HTML لكتاب من ٥٣٤٠٠ كلمة كتبه الباحث الرئيسي، وإحدى عشرة صورة JPEG ، وبرنامج جافا سكريبت واحد . أُضيفت نسخ متعددة لضمان التكرار، ويمكن تخزين ٥٫٥ بيتابايت في كل مليمتر مكعب من الحمض النووي. ^{[ ١٩ ]} استخدم الباحثون ترميزًا بسيطًا حيث رُبطت البتات بالقواعد النيتروجينية واحدًا لواحد، وكان من عيوبه أنه أدى إلى تسلسلات طويلة من القاعدة نفسها، مما يجعل تسلسلها عرضة للأخطاء. أظهرت هذه النتيجة أنه بالإضافة إلى وظائفه الأخرى، يمكن أن يكون الحمض النووي نوعًا آخر من وسائط التخزين مثل محركات الأقراص الصلبة والأشرطة المغناطيسية . ^{[ ٢٠ ]}

في عام ٢٠١٣، نُشرت مقالة بقيادة باحثين من المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية (EBI)، بالتزامن تقريبًا مع ورقة بحثية لتشرش وزملائه، تناولت بالتفصيل تخزين واسترجاع وإعادة إنتاج أكثر من خمسة ملايين بت من البيانات. وقد أعادت جميع ملفات الحمض النووي إنتاج المعلومات بدقة تتراوح بين ٩٩.٩٩٪ و١٠٠٪. ^{[ ٢١ ]} تمثلت الابتكارات الرئيسية في هذا البحث في استخدام نظام ترميز لتصحيح الأخطاء لضمان معدل فقدان بيانات منخفض للغاية، بالإضافة إلى فكرة ترميز البيانات في سلسلة من النيوكليوتيدات القصيرة المتداخلة التي يمكن تحديدها من خلال نظام فهرسة قائم على التسلسل. ^{[ ٢٠ ]} كما تداخلت تسلسلات خيوط الحمض النووي الفردية بطريقة تضمن تكرار كل منطقة من البيانات أربع مرات لتجنب الأخطاء. وقد تم بناء اثنين من هذه الخيوط الأربعة بشكل عكسي، وذلك أيضًا بهدف القضاء على الأخطاء. ^{[ 21 ]} قُدِّرت تكلفة الميغابايت الواحد بـ 12,400 دولار أمريكي لترميز البيانات و220 دولارًا أمريكيًا لاسترجاعها. ومع ذلك، لوحظ أن الانخفاض المتسارع في تكاليف تصنيع الحمض النووي وتسلسله، إذا استمر في المستقبل، من شأنه أن يجعل هذه التقنية فعالة من حيث التكلفة لتخزين البيانات على المدى الطويل بحلول عام 2023. ^{[ 20 ]}

في عام 2013، طوّر مانيش ك. غوبتا وزملاؤه برنامجًا يُدعى DNACloud لترميز ملفات الحاسوب إلى تمثيلها في الحمض النووي. يُطبّق البرنامج نسخةً مُحسّنة من حيث كفاءة استخدام الذاكرة للخوارزمية التي اقترحها غولدمان وآخرون لترميز (وفك ترميز) البيانات إلى الحمض النووي (ملفات .dnac). ^{[ 22 ] [ 23 ]}

أُبلغ عن استقرار البيانات المشفرة في الحمض النووي على المدى الطويل في فبراير 2015، في مقالٍ لباحثين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ . وقد أضاف الفريق خاصية التكرار عبر ترميز تصحيح الأخطاء ريد-سولومون، وعن طريق تغليف الحمض النووي داخل كريات زجاجية من السيليكا باستخدام تقنية سول-جل الكيميائية. ^{[ 24 ]}

في عام 2016، نُشر بحثٌ أجرته شركتا تشيرش وتكنيكولور للأبحاث والابتكار، حيث تم تخزين 22 ميجابايت من تسلسل فيلم مضغوط بتقنية MPEG واستعادته من الحمض النووي. وقد وُجد أن استعادة التسلسل خالية من الأخطاء. ^{[ 25 ]}

في مارس 2017، نشر يانيف إيرليخ ودينا زيلينسكي من جامعة كولومبيا ومركز نيويورك للجينوم طريقة تُعرف باسم "نافورة الحمض النووي" (DNA Fountain)، والتي تُخزّن البيانات بكثافة 215 بيتابايت لكل غرام من الحمض النووي. تقترب هذه التقنية من سعة تخزين الحمض النووي وفقًا لمعيار شانون ، حيث تصل إلى 85% من الحد النظري. لم تكن هذه الطريقة جاهزة للاستخدام على نطاق واسع، إذ تبلغ تكلفة تصنيع 2 ميجابايت من البيانات 7000 دولار أمريكي، بالإضافة إلى 2000 دولار أمريكي أخرى لقراءتها. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

في مارس 2018، نشرت جامعة واشنطن ومايكروسوفت نتائج تُظهر تخزين واسترجاع ما يقارب 200 ميجابايت من البيانات. كما اقترح البحث وقيم طريقة للوصول العشوائي إلى عناصر البيانات المخزنة في الحمض النووي. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وفي مارس 2019، أعلن الفريق نفسه عن عرض نظام مؤتمت بالكامل لترميز وفك ترميز البيانات في الحمض النووي. ^{[ 31 ]}

أظهر بحثٌ نُشر من قِبل يوريكوم وإمبريال كوليدج في يناير 2019، إمكانية تخزين البيانات المنظمة في الحمض النووي الاصطناعي. بيّن البحث كيفية ترميز البيانات المنظمة، أو تحديدًا البيانات العلائقية، في الحمض النووي الاصطناعي ، كما بيّن كيفية إجراء عمليات معالجة البيانات (على غرار لغة SQL ) مباشرةً على الحمض النووي كعمليات كيميائية. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

في أبريل 2019، وبفضل التعاون مع مختبرات TurboBeads في سويسرا، تم ترميز ألبوم Mezzanine لفرقة Massive Attack في الحمض النووي الاصطناعي، مما جعله أول ألبوم يتم تخزينه بهذه الطريقة. ^{[ 34 ]}

في يونيو 2019، أفاد العلماء أن جميع بيانات ويكيبيديا ، البالغة 16 جيجابايت ، قد تم ترميزها في حمض نووي اصطناعي. ^{[ 4 ]} وفي عام 2021، أعلنت شركة CATALOG أنها طورت جهازًا مخصصًا لكتابة الحمض النووي قادرًا على كتابة البيانات بسرعة 1 ميجابت في الثانية في الحمض النووي. ^{[ 5 ]}

نُشرت أول مقالة تصف تخزين البيانات على تسلسلات الحمض النووي الأصلية عبر القطع الأنزيمي في أبريل 2020. في هذه الورقة، يُظهر العلماء طريقة جديدة لتسجيل المعلومات في هيكل الحمض النووي، مما يُمكّن من الوصول العشوائي على مستوى البت والحوسبة داخل الذاكرة. ^{[ 35 ]}

في عام 2021، قام فريق بحثي في ​​جامعة نيوكاسل بقيادة ن. كراسنوغور بتطبيق بنية بيانات مكدسة باستخدام الحمض النووي، مما يسمح بتسجيل واسترجاع البيانات وفقًا لأسلوب "آخر ما يدخل، أول ما يخرج" (LIFO). استخدم نهجهم التهجين وإزاحة السلاسل لتسجيل إشارات الحمض النووي في بوليمرات الحمض النووي، والتي تم إطلاقها بعد ذلك بترتيب عكسي. أظهرت الدراسة إمكانية إجراء عمليات شبيهة ببنية البيانات في المجال الجزيئي. كما استكشف الباحثون القيود والتحسينات المستقبلية لبنى بيانات الحمض النووي الديناميكية، مسلطين الضوء على إمكانات الأنظمة الحاسوبية القائمة على الحمض النووي. ^{[ 36 ]}

في 21 يناير 2015، أعلن نيك غولدمان من المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية (EBI)، أحد المؤلفين الأصليين لورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature عام 2013 ، ^{[ 21 ]} عن تحدي دافوس للبيتكوين خلال الاجتماع السنوي للمنتدى الاقتصادي العالمي في دافوس. ^{[ 37 ] [ 38 ]} وخلال عرضه التقديمي، وُزِّعت أنابيب الحمض النووي (DNA) على الحضور، مع رسالة مفادها أن كل أنبوب يحتوي على المفتاح الخاص لعملة بيتكوين واحدة فقط ، مُشفَّرة جميعها في الحمض النووي. وكان بإمكان أول من يُفكّ شفرة الحمض النووي أن يحصل على البيتكوين ويفوز بالتحدي. وقد حُدِّدت مدة التحدي بثلاث سنوات، وسيُغلق إذا لم يطالب أحد بالجائزة قبل 21 يناير 2018. ^{[ 38 ]}

بعد مرور ما يقارب ثلاث سنوات، وتحديدًا في 19 يناير 2018، أعلن معهد المعلوماتية الأوروبي (EBI) أن طالب الدكتوراه البلجيكي، ساندر وويتس، من جامعة أنتويرب وجامعة بروكسل الحرة ، كان أول من أكمل التحدي. ^{[ 39 ] [ 40 ]} إلى جانب التعليمات الخاصة بكيفية استلام عملة البيتكوين (المخزنة كنص عادي وملف PDF )، تم استخراج شعار معهد المعلوماتية الأوروبي، وشعار الشركة التي طبعت الحمض النووي (CustomArray)، ورسم تخطيطي لجيمس جويس من الحمض النووي. ^{[ 41 ]}

تحمل المكتبة القمرية، التي أُطلقت على متن مركبة الهبوط "بيريشيت" التابعة لمؤسسة "آرتش ميشن" ، معلومات مُشفّرة في الحمض النووي، تشمل 20 كتابًا شهيرًا و10,000 صورة. كان هذا أحد الخيارات الأمثل للتخزين، نظرًا لقدرة الحمض النووي على البقاء لفترة طويلة. وتشير مؤسسة "آرتش ميشن" إلى إمكانية قراءته حتى بعد مليارات السنين. ^{[ 42 ]} تحطمت مركبة الهبوط في 11 أبريل 2019 وفُقدت. ^{[ 43 ]}

طُرح مفهوم "حمض الأشياء النووي" (DoT) عام 2019 من قِبل فريق من الباحثين من إسرائيل وسويسرا، من بينهم يانيف إيرليخ وروبرت غراس. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} يقوم "حمض الأشياء النووي" بتشفير البيانات الرقمية في جزيئات الحمض النووي، والتي تُدمج بدورها في الأشياء. وهذا يُتيح إمكانية إنشاء أشياء تحمل مخططاتها الخاصة، على غرار الكائنات الحية. وعلى عكس " إنترنت الأشياء" ، وهو نظام من أجهزة الحوسبة المترابطة، يُنشئ "حمض الأشياء النووي" أشياءً تُعدّ وحدات تخزين مستقلة تمامًا، تعمل خارج الشبكة .

كإثبات لمفهوم تقنية DoT، قام الباحث بطباعة أرنب ستانفورد بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، حيث احتوى خيط الطباعة البلاستيكي المستخدم على مخططه. ومن خلال قص جزء صغير من أذن الأرنب، تمكنوا من قراءة المخطط، وتكراره، وإنتاج جيل جديد من الأرانب. إضافةً إلى ذلك، تم إثبات قدرة تقنية DoT على خدمة أغراض إخفاء المعلومات من خلال إنتاج عدسات غير قابلة للتمييز تحتوي على مقطع فيديو من يوتيوب مدمج في المادة.

• تخزين البيانات البصرية خماسية الأبعاد
• الحوسبة باستخدام الحمض النووي
• تقنية النانو الحمض النووي
• تقنية النانو الحيوية
• الحوسبة الطبيعية
• تخزين البيانات الرقمية النباتية
• نص زينو