الحمض النووي هو القرص الصلب للمستقبل

إن الإنسانية عظيمة في خلق الأشياء، ولكن هناك شيء واحد يخلقه جنسنا البشري أكثر من أي شيء آخر تقريبًا: المعلومات.

وبالعودة إلى عام 2013، خلصت دراسة إلى أن 90% من جميع بيانات العالم قد تم إنشاؤها في العامين الماضيين، ومع ذلك فإن هذه الكمية لا تزال تبدو صغيرة مقارنة بالسنوات الأخيرة. شهد عام 2017 إنشاء 26 زيتابايت (زيتابايت = مليار تيرابايت) من البيانات، وهو أكثر من كل ما تم إنشاؤه في الأعوام 2010-2013 مجتمعين.

وفقا ل تقرير نشر في عام 2019، نشارك كل يوم 95 مليون صورة ومقطع فيديو على Instagram، وننشر 500 مليون تغريدة على Twitter، ونرسل 294 مليار بريد إلكتروني. في حين أن الإنترنت قد يبدو أثيريًا، إلا أنه يجب تخزين كل هذه البيانات فعليًا، على محركات الأقراص الثابتة والخوادم حول العالم. المشكلة هي أن وسائل تخزين البيانات التقليدية هذه ربما لا تستطيع مواكبة التدفق المتوقع للبيانات خلال العقد القادم.

ما هو الحل؟ القرص الصلب في المستقبل يمكن أن يكون شيئًا قديمًا جدًا، شيء موجود داخل كل شخص يقرأ هذا: الحمض النووي.

دليل تعليمات الطبيعة

حمض الديوكسي ريبونوكلييك، أو DNA، هو الجزيء الذي يحدد كيفية تطور الكائن الحي. يحتوي جزيء الحمض النووي على أربع قواعد نيتروجينية — الأدينين (A)، والثايمين (T)، والجوانين (G)، والسيتوزين (C) — والتسلسل تشكل هذه القواعد تعليمات حول كيفية تطور الخلايا، والتأثير على أشياء مثل الشعر ولون العين والطول وما إلى ذلك على. الحمض النووي هو في الأساس دليل التعليمات لبناء الجسم.

يمكن أن يحتوي الحمض النووي أيضًا على كمية مذهلة من المعلومات: 215 بيتابايت (1 بيتابايت يساوي حوالي 100 مليون جيجابايت) من البيانات في جرام واحد. كما أن طول العمر مثير للإعجاب. تميل الوسائط التقليدية مثل الشريط المغناطيسي وذاكرة الفلاش إلى التدهور، سواء من خلال الاستخدام المتكرر أو ببساطة مع مرور الوقت. يتحلل الحمض النووي أيضًا، ولكن بمعدل أبطأ بكثير: اعتمادًا على ظروف التخزين، يمكن أن يستمر لآلاف، أو حتى عشرات الآلاف، من السنين.

ليس من المفاجئ إذن أن يرى الباحثون نظام التخزين الطبيعي بمثابة وعاء لتدفق المعلومات المستمر في العالم.

يقول هيونجون بارك، الرئيس التنفيذي لشركة كاتالوغ، وهي شركة تقوم ببناء منصة للتخزين المعتمد على الحمض النووي: "إن الأمر يقترب من دائرة كاملة". "سنعود إلى الطبيعة للحصول على الإلهام لتطوير هذه الوسيلة."

تعد شركة Catalog واحدة من الشركات التي تتقدم في هذه التكنولوجيا، حيث تقوم ببناء منصة تخزين قائمة على الحمض النووي يمكنها استيعاب الملفات الكبيرة بشكل متزايد من 5Gعصر الوضوح العالي.

إمكانات عجيبة بسعر كابوسي

تم اقتراح فكرة تخزين البيانات على الحمض النووي في الستينيات من قبل العالم السوفييتي ميخائيل نيمان. وفي العقود التي تلت ذلك، قطع الباحثون خطوات كبيرة في القيام بذلك فعليًا، ولكن كانت هناك عقبات كبيرة.

يشرح بارك قائلاً: "إن عنق الزجاجة الذي حال دون انتشار هذه التكنولوجيا هو حقيقة أنها مكلفة للغاية وبطيئة في تخزين الكثير من المعلومات."

وفق دراسة نشرت عام 2018، كانت تكلفة تقنية تخزين الحمض النووي الأكثر فعالية من حيث التكلفة في ذلك الوقت تبلغ حوالي 3500 دولار أمريكي لكل ميجابايت لكتابة البيانات و1000 دولار أمريكي لكل ميجابايت لقراءتها، لذلك لا تتقاعد من استخدام محرك الأقراص ذو الحالة الصلبة الخاص بك حتى الآن.

يهدف الكتالوج إلى خفض تكلفة تخزين الحمض النووي عن طريق إنشاء ما يمكن مقارنته بالمطبعة، الجهاز الثوري الذي يستخدم كتلًا قابلة للتبديل من الحروف، مغلفة بالحبر، للطباعة بسرعة الصفحات.

يشرح بارك قائلاً: "الطريقة التي تم بها ذلك من قبل هي أن قواعد الحمض النووي -ATCG- يمكن استخدامها "لتمثيل أي سلسلة طويلة من الآحاد والأصفار، لأن هذه هي البيانات التي تحاول كتابتها. لكن المشكلة في هذا النهج هي أن كل زوج أساسي تضيفه له تكلفة ويستغرق وقتًا طويلاً.

في طريقة طباعة الكتالوج، تكون الكتل الخشبية عبارة عن “كتل من جزيئات الحمض النووي التي قمنا بتركيبها مسبقًا، ولكن بكميات كبيرة. ويوضح قائلاً: "في عالم الحمض النووي، إذا كنت تحاول تصنيع كميات كبيرة من عدد قليل من الجزيئات المختلفة - على سبيل المثال، في حدود 100 - فهذا أمر رخيص حقًا وسهل القيام به.

ويتابع: «لكن إذا كنت تحاول تصنيع كميات صغيرة جدًا من مليون جزيء مختلف، فهذا أمر مكلف وبطيء حقًا. نحن نأخذ هذه الكتل الكبيرة التي صنعناها بكميات كبيرة ونستخدم الطابعة التي طورناها لترتيبها مجموعات مختلفة ونربطها معًا حتى نحصل على هذا التنوع الهائل من الجزيئات المختلفة التي يمكننا بعد ذلك أن ننسبها إلى جزيئات مختلفة المعلومات إلى."

بناء جهاز كمبيوتر أفضل من خلال الطبيعة

في حين أن قدرات تخزين الحمض النووي مثيرة للاهتمام، فإن بارك متحمس أيضًا بشأن إمكاناته في مجال الحوسبة. لسنوات عديدة، اتبعت أجهزة الكمبيوتر تقريبًا المسار الذي حدده قانون مور، والذي نص على أنه يمكننا كل عامين أو نحو ذلك مضاعفة عدد الترانزستورات التي يمكن تركيبها على شريحة الكمبيوتر. ومع ذلك، أصبحت رقائق الكمبيوتر صغيرة جدًا هذه الأيام لدرجة أنه من غير المرجح بشكل متزايد أن نتمكن من الاستمرار في الضغط على المزيد من الترانزستورات هناك. بشكل أساسي، لقد مات قانون مور، أو على الأقل في دار العجزة.

ومع ذلك، فإن حاجة البشرية إلى أجهزة كمبيوتر متزايدة الأهمية أمر حيوي، ولذلك يتسابق الباحثون لتطوير سلالات جديدة من أجهزة الكمبيوتر (أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على سبيل المثال). يعد الكمبيوتر المعتمد على الحمض النووي أحد الاحتمالات.

يقول بارك: “نعتقد أنه بمجرد حصولك على بيانات في الحمض النووي، يمكننا استخدام الإنزيمات وجزيئات الحمض النووي الأخرى لحساب تلك البيانات، وهذه طريقة عالية الكفاءة ومتوازية للغاية لحساب تلك البيانات. لن يكون الأمر مخصصًا لجميع التطبيقات اليومية أو جميع المشكلات الحسابية، ولكن لمجموعة من المشاكل التي أصبحت أكثر أهمية للمجتمع، نعتقد أن الحمض النووي سيكون وسيلة رائعة للتعامل معها هو - هي."

يقول بارك إن حواسيب الحمض النووي ستكون مناسبة تمامًا للمشكلات التي يكون لديك فيها كمية هائلة من البيانات، لكن الحسابات التي تحتاج إلى إجرائها ليست معقدة للغاية. على سبيل المثال، يتخيل سيناريو حيث يحتاج شخص ما إلى تمشيط الإكزا بايت من بيانات التعداد.

"أنت تريد أن تكون قادرًا على البحث بسرعة في كل ذلك في وقت واحد والتوصل إلى أسماء الأشخاص التي تستوفي مجموعة معينة من المعايير مثل فئة عمرية معينة أو نطاق دخل أو منطقة جغرافية معينة يقول. "للقيام بذلك في جهاز كمبيوتر تقليدي، لتتمكن من الاطلاع على كل الإكزا بايت التي جمعتها على مدى عقود، عليك إعادة قراءة الشريط المغناطيسي التي كانت موجودة في مخزن بارد... ثم قم بحسابها في كتل تتلاءم مع الذاكرة، ثم في كتل تتلاءم مع وحدة المعالجة، وتفعل ذلك في تسلسل طريقة. إذا كان لديك ذلك في الحمض النووي، فسيكون الحجم صغيرًا جدًا بسبب كثافة المعلومات في الحمض النووي، وبالتالي سوف تقوم بإسقاط بعض المجسات التي ترتبط بالخاصية التي تبحث عنها ل."

ثورة في الأفق

إذن متى يجب أن تستعد للتخلص من معداتك الحالية واستبدالها بأجزاء الكمبيوتر العضوية الحيوية؟ ربما ليس في أي وقت قريب.

يقول بارك: "أعتقد أنه في المستقبل المنظور، ستتم عملية الكتابة التي تقوم فيها بتحويل البيانات الرقمية إلى حمض نووي في مرافق متخصصة". بيانات الحمض النووي ستحتوي المرافق على البيانات المستندة إلى الحمض النووي، والتي يمكن للأشخاص الوصول إليها كما لو كانوا خادمًا تقليديًا، على الرغم من أنه يقترح أنه يمكن للأشخاص الحصول على نسخ من بياناتهم في الاختبار أنابيب.

في الوقت الحالي، من غير المرجح أن يكون التخزين والحوسبة المستندة إلى الحمض النووي جزءًا ملحوظًا من الحياة اليومية، ولكنه شيء يمكن أن يكون له تأثير كبير على الصورة الكبيرة للبشرية.