אחסון תמונות דיגיטליות בתוך דנ”א והשבה מושלמת שלהן

חוקרים הצליחו לפתח את אחת מהמערכות השלמות הראשונות המסוגלות לאחסן נתונים דיגיטליים בתוך דנ”א. ההמצאה תוכל לאפשר לתאגידים לאחסן נתונים ומידע שהיום נדרש להם מרחב אחסון כביר בנפח של קוביית סוכר

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
חוקרים הצליחו לפתח את אחת מהמערכות השלמות הראשונות המסוגלות לאחסן נתונים דיגיטליים בתוך דנ”א. ההמצאה תוכל לאפשר לתאגידים לאחסן נתונים ומידע שהיום נדרש להם מרחב אחסון כביר בנפח של קוביית סוכר.

תאגידי טכנולוגיה מקימים באופן תכוף מרכזי מידע נרחבים שנועדו לאחסן את כל תמונות הילדים, העסקאות הכלכליות, סרטוני החתולים המבדרים ואת הודעות המייל שצוברים המשתמשים בשירותיהם. אולם, טכנולוגיה חדשה שפותחה על די חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון ותאגיד מיקרוסופט תוכל לכווץ את הנפח הנדרש לאחסון נתונים דיגיטליים שכיום ממלאים מחסני ענק לכדי נפח של קוביית סוכר יחידה. הצוות של מדעני המחשוב ומהנדסי החשמל מתאר את אחת המערכות השלמות שנועדו לקודד, לאחסן ולאחזר נתונים דיגיטליים בעזרת מולקולות דנ”א, המסוגלות לאחסן את כל המידע הזה בצורה המכווצת פי מיליוני פעמים יותר מאשר טכנולוגיות ארכוב קיימות.
באחד מהניסויים שהוצגו בכנס שנערך לאחרונה (ACM International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems) מתאר הצוות כיצד הוא הצליח לקודד בהצלחה נתונים דיגיטליים של ארבעה קובצי תמונות לתוך רצפים נוקליאוטידים של מקטעי דנ”א סינתטיים. יותר חשוב מכך, הם הצליחו לגרום לתהליך להיות הפיך – אחזור הרצפים הנכונים מתוך מאגר גדול של דנ”א ובנייה מחדש של התמונות מבלי לאבד אפילו יחידת מידע אחת. הצוות הצליח גם לקודד ולאחזר נתונים המאמתים קובצי וידאו ארכיוניים ממיזם של אוניברסיטת וושינגטון הכולל ראיונות עם שופטים, עורכי דין ואנשים אחרים.
“החיים יצרו את המולקולה המופלאה הזו ששמה דנ”א המאפשרת אחסון יעיל של מגוון סוגי מידע הקשורים לגנים שלנו ולאופן התפקוד של הגוף שלנו – המולקולה הזו היא יחידת אחסון מאוד קומפקטית ויציבה”, מסביר אחד מהכותבים. “אנחנו בעצם מנצלים את המולקולה לשימוש חדש ומקורי – אחסון של נתונים דיגיטליים כדוגמת תמונות, סרטוני וידאו, מסמכים – באופן המאפשר את ניהול המידע במשך מאות ואלפי שנים”. המרחב הדיגיטלי – כל הנתונים הכלולים בתוך קובצי המחשב, הארכיוניים ההיסטוריים, הסרטים ואלבומי התמונות שלנו והנפח המתרחב של מידע דיגיטלי הנאגר על ידי תאגידים ומחשבים בכל רחבי העולם – צפוי להגיע ל-44 טריליון ג’יגהבייט עד שנת 2020. זהו גידול של פי עשרה בהשוואה לשנת 2013, והוא מיצג נתונים שממלאים יותר משש ערמות של טאבלטים המגיעים מכדור הארץ ועד לירח. על אף העובדה כי אין צורך לשמור את כל הנתונים הללו, האנושות מייצרת נתונים הרבה יותר מהר מיכולת האחסון שלה.
מולקולות דנ”א מסוגלות לאחסן מידע בצורה הדחוסה פי מיליוני פעמים מטכנולוגיות קיימות של אחסון דיגיטלי – זיכרון נייד (דיסקון, דיסק און-קי), כונן קשיח ומדיה מגנטית ואופטית. המערכות הללו גם מתפרקות לאחר מספר שנים או עשורים, בעוד שהדנ”א יכול לשמור באופן אמין את המידע שבתוכו במשך מאות בשנים. מולקולת הדנ”א היא המתאימה ביותר ליישומי ארכיב, זאת לעומת יישומים שבהם צריכים לגשת לקבצים באופן מידי.

 

בשלב הראשון, החוקרים פיתחו גישה חדשה להמרת המחרוזות הארוכות של אפסים ואחדים של נתונים דיגיטליים לארבעת אבני הבניין הבסיסים של רצפי דנ”א – אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין. הנתונים הדיגיטליים מפוצלים לכדי מקטעים המאוחסנים במסגרת סינתזה של כמות עצומה של מולקולות דנ”א זעירות הניתנות לשימור ארוך טווח. צוות החוקרים הזה הוא אחד משני הצוותים היחידים בעולם שגם הצליחו להדגים את היכולת של המערכת שלהם לבצע ‘גישה אקראית’ – איתור ואחזור הרצפים הנכונים ממאגר כביר של מולקולות דנ”א אקראיות, מטלה הדומה לשחזור פרק יחיד של סיפור מתוך אוסף של קרעי ספרים. על מנת לאפשר גישה מאוחרת יותר לנתונים המאוחסנים, החוקרים גם פיתחו מערכות קידוד הדומות למיקוד וכתובת הרחוב בתוך רצפי הדנ”א. שיטות של PCR, הרווחות בתחום של ביולוגיה מולקולארית, מסייעות לחוקרים לזהות בקלות את המיקוד שאותו הם מחפשים. בעזרת שיטות ריצוף דנ”א, החוקרים מסוגלים לאחר מכן לקרוא את הנתונים ולהמיר אותם חזרה לקובצי ווידאו, תמונות או מסמכים תוך שימוש בכתובות הרחוב על מנת לאחזר את הנתונים.

 
כרגע, החסם הגדול ביותר לאחסון מעשי בעזרת דנ”א הוא העלות הגבוהה והיעילות הנמוכה הכרוכים ביכולת הסינתזה והריצוף של דנ”א בקנה מידה גדול. יחד עם זאת, החוקרים טוענים כי לא קיים כל חסם טכני להשגת יעדים אלו אם יוענקו התמריצים המתאימים. התקדמויות בתחום של אחסון בעזרת דנ”א מתבססות על שיטות חלוציות הנולדות בתעשיית הביוטכנולוגיה, אך כאלו המשלבות גם ידע חדש. גישת הקידוד של צוות החוקרים, לדוגמה, נהגתה כהשראה רעיונית מתוך השיטה של ‘סכימות תיקון שגיאות’ הנפוצה בתחום של זיכרון ממוחשב – שיטה שמעולם לא נוצלה בתחום הדנ”א. “זוהי דוגמה למקרה שבו אנו לווים משהו מהטבע – דנ”א – לשם אחסון מידע; ובנוסף, אנו משתמשים ברעיון שנולד בתחום המחשוב – היכולת לתקן שגיאות – וליישם זאת חזרה למערכת הטבעית, הדנ”א”, מסביר החוקר הראשי. “גישה בינתחומית זאת היא שהופכת את המיזם הזה לכה מרתק – אנו שואבים השראה מתוך שלל תחומים על מנת למתוח את הגבולות מבחינת השימוש שלנו בדנ”א ולפתח כתוצאה מכך מערכת אחסון בעלת דחיסות ויציבות חסרות תקדים”, אומר החוקר.
הידיעה על המחקר