מחקר פורץ דרך לוקח צעד משמעותי קדימה בשאיפה לפתח א ה-DNA-מערכת אחסון מבוססת נתונים דיגיטליים.
דִיגִיטָלי נתונים גדל היום בקצב אקספוננציאלי בגלל התלות שלנו בגאדג'טים וזה דורש אחסון חזק לטווח ארוך. אחסון נתונים הופך לאט לאט מאתגר מכיוון שהטכנולוגיה הדיגיטלית הנוכחית אינה מסוגלת לספק פתרון. דוגמה לכך היא שיותר נתונים דיגיטליים נוצרו בשנתיים האחרונות מאשר בכל ההיסטוריה של מחשבים, למעשה 2.5 קווינטיליון בתים {1 קווינטיליון בתים = 2,500,000 טרה-בייט (TB) = 2,500,000,000 גיגה-בייט (GB)} של נתונים נוצרים בכל יום בעולם. זה כולל נתונים באתרי רשתות חברתיות, עסקאות בנקאיות מקוונות, רישומים של חברות וארגונים, נתונים מלוויינים, מעקבים, מחקר, פיתוח וכו'. הנתונים הללו הם עצומים ובלתי מובנים. לכן, זה כעת אתגר גדול להתמודד עם דרישות אחסון ענקיות עבור נתונים והצמיחה האקספוננציאלית שלהם, במיוחד עבור ארגונים ותאגידים שדורשים אחסון חזק לטווח ארוך.
האפשרויות הזמינות כיום הן דיסק קשיח, דיסקים אופטיים (תקליטורים), מקלות זיכרון, כונני הבזק וכונן הקלטות המתקדם יותר או תקליטורי BluRay אופטיים המאחסנים בערך עד 10 טרה-בייט (TB) של נתונים. להתקני אחסון כאלה, למרות שהם בשימוש נפוץ, יש חסרונות רבים. ראשית, יש להם חיי מדף נמוכים עד בינוניים והם צריכים להיות מאוחסנים בתנאי טמפרטורה ולחות אידיאליים כדי שיוכלו להחזיק מעמד עשורים רבים ובכך לדרוש חללי אחסון פיזיים שתוכננו במיוחד. כמעט כל אלה צורכים הרבה חשמל, הם מגושמים ולא מעשיים ועלולים להינזק בנפילה פשוטה. חלקם יקרים מאוד, לרוב נגועים בשגיאות נתונים ולכן אינם חזקים מספיק. אפשרות שהתקבלה בכל העולם על ידי הארגון נקראת מחשוב ענן - הסדר שבו חברה שוכרת בעצם שרת "מבחוץ" לטיפול בכל דרישות ה-IT ואחסון הנתונים שלה, המכונה "ענן". אחד החסרונות העיקריים של מחשוב ענן הם בעיות אבטחה ופרטיות ופגיעות להתקפות של האקרים. ישנן גם בעיות אחרות כמו עלויות גבוהות, שליטה מוגבלת על ידי ארגון האם ותלות בפלטפורמה. מחשוב ענן עדיין נראה כאלטרנטיבה טובה לאחסון לטווח ארוך. עם זאת, נראה שהמידע הדיגיטלי שנוצר ברחבי העולם בהחלט עוקף את היכולת שלנו לאחסן אותו ונדרשים פתרונות חזקים עוד יותר כדי לתת מענה למבול הנתונים הזה תוך מתן מדרגיות כדי לקחת בחשבון גם צרכי אחסון עתידיים.
האם DNA יכול לעזור באחסון מחשב?
את העתיד ה-DNA (חומצה Deoxyribonucleic) נחשבת כאמצעי חלופי מרגש לאחסון נתונים דיגיטליים. ה-DNA הוא החומר המשכפל את עצמו הקיים כמעט בכל האורגניזמים החיים והוא מה שמהווה את המידע הגנטי שלנו. מלאכותי או סינתטי ה-DNA הוא חומר עמיד שניתן לייצר באמצעות מכונות סינתזת אוליגונוקלאוטידים זמינות מסחרית. היתרון העיקרי של ה-DNA הוא אורך חייו כ- ה-DNA מחזיק מעמד פי 1000 יותר מסיליקון (שבב סיליקון - החומר המשמש לבנייה מחשבים). באופן מדהים, רק מילימטר מעוקב בודד של ה-DNA יכול להכיל קווינטיליון בתים של נתונים! ה-DNA הוא גם חומר קומפקטי שלעולם אינו מתכלה וניתן לאחסן אותו במקום קריר ויבש במשך מאות מאות שנים. הרעיון של שימוש ב-DNA לאחסון קיים כבר הרבה זמן עד 1994. הסיבה העיקרית היא האופן הדומה שבו מאוחסן מידע במחשב ובנוסף שלנו ה-DNA - שכן שניהם מאחסנים את השרטוטים של המידע. מחשב מאחסן את כל הנתונים כ-0 ו-1 וה-DNA מאחסן את כל הנתונים של אורגניזם חי באמצעות ארבעת הבסיסים - תימין (T), גואנין (G), אדנין (A) וציטוזין (C). לכן, ניתן לקרוא ל-DNA התקן אחסון סטנדרטי, בדיוק כמו מחשב, אם ניתן לייצג את הבסיסים הללו כ-0 (בסיסים A ו-C) ו-1 (בסיסים T ו-G). ה-DNA הוא קשוח ועמיד לאורך זמן, ההשתקפות הפשוטה ביותר היא שהקוד הגנטי שלנו - התוכנית של כל המידע שלנו המאוחסן ב-DNA - מועבר בצורה יעילה מדור לדור באופן חוזר ונשנה. כל ענקיות התוכנה והחומרה להוטות להשתמש ב-DNA סינתטי לאחסון כמויות אדירות כדי להשיג את מטרתן לפתור ארכיון נתונים לטווח ארוך. הרעיון הוא להמיר תחילה את קוד המחשב 0s ו-1s לקוד ה-DNA (A, C, T, G), קוד ה-DNA המומר משמש לאחר מכן לייצור גדילים סינתטיים של DNA אשר לאחר מכן ניתן להכניס לאחסון קר. בכל פעם שנדרש, ניתן להסיר גדילי DNA מאחסון קר, ולפענח את המידע שלהם באמצעות מכונת רצף DNA ורצף DNA מתורגם לבסוף חזרה לפורמט מחשב בינארי של 1 ו-0 לקריאה במחשב.
זה הוצג1 שרק כמה גרמים של DNA יכולים לאחסן קווינטיליון בתים של נתונים ולשמור אותם בשלמותם עד 2000 שנה. עם זאת, הבנה פשוטה זו עמדה בפני כמה אתגרים. ראשית, זה די יקר וגם איטי עד כאב לכתוב נתונים ל-DNA כלומר ההמרה בפועל של 0 ו-1 לבסיסי ה-DNA (A, T, C, G). שנית, ברגע שהנתונים "נכתבים" על ה-DNA, זה מאתגר למצוא ולאחזר קבצים ודורש טכניקה הנקראת ה-DNA רצף – תהליך של קביעת הסדר המדויק של הבסיסים בתוך a ה-DNA מולקולה - שלאחריה הנתונים מפוענחים בחזרה ל-0 ו-1.
מחקר שנערך לאחרונה2 על ידי מדענים מ-Microsoft Research ואוניברסיטת וושינגטון השיגו "גישה אקראית" לאחסון DNA. ההיבט של "גישה אקראית" חשוב מאוד כי זה אומר שניתן להעביר מידע למקום או ממנו (בדרך כלל זיכרון) שבו כל מיקום, לא משנה היכן ברצף וניתן לגשת אליו ישירות. באמצעות טכניקה זו של גישה אקראית, ניתן לאחזר קבצים מאחסון DNA בצורה סלקטיבית בהשוואה לקודם לכן, כאשר אחזור כזה הצריך את הצורך לרצף ולפענח מערך נתונים שלם של DNA כדי למצוא ולחלץ את מעט הקבצים שרצה. החשיבות של "גישה אקראית" עולה עוד יותר כאשר כמות הנתונים גדלה והופכת עצומה מכיוון שהיא מפחיתה את כמות הרצף שצריך לעשות. זו הפעם הראשונה אי פעם שהגישה האקראית הוצגה בקנה מידה כה גדול. חוקרים פיתחו גם אלגוריתם לפענוח ושחזור נתונים בצורה יעילה יותר עם יותר סובלנות לשגיאות נתונים מה שהופך את הליך הרצף למהיר יותר. יותר מ-13 מיליון אוליגונוקלאוטידים של DNA סינתטיים היו מקודדים במחקר זה שהיו נתונים בגודל 200MB המורכבים מ-35 קבצים (המכילים וידאו, אודיו, תמונות וטקסט) בגודל של 29KB עד 44MB. קבצים אלו אוחזרו בנפרד ללא שגיאות. כמו כן, המחברים המציאו אלגוריתמים חדשים שהם חזקים יותר וסובלני שגיאות בכתיבה ובקריאת רצפי ה-DNA. מחקר זה פורסם ב טבע ביוטכנולוגיה בהתקדמות גדולה המראה מערכת בת קיימא בקנה מידה גדול לאחסון ושליפה של DNA.
מערכת אחסון DNA נראית מאוד מושכת מכיוון שהיא בעלת צפיפות נתונים גבוהה, יציבות גבוהה והיא קלה לאחסון, אך ברור שיש לה אתגרים רבים לפני שניתן לאמץ אותה באופן אוניברסלי. מעט גורמים הם פענוח עתיר זמן ועבודה של ה-DNA (הרצף) וגם סינתזה של ה-DNA. הטכניקה דורשת דיוק רב יותר וכיסוי רחב יותר. אף על פי שהושגה התקדמות בתחום זה הפורמט המדויק שבו הנתונים יאוחסנו בטווח הארוך כמו ה-DNA עדיין מתפתח. מיקרוסופט נשבעה לשפר את ייצור ה-DNA הסינטטי ולטפל באתגרים כדי לתכנן תפעול מלא ה-DNA מערכת אחסון עד 2020.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
1. Erlich Y and Zielinski D 2017. DNA Fountain מאפשר ארכיטקטורת אחסון חזקה ויעילה. מַדָע. 355(6328). https://doi.org/10.1126/science.aaj2038
2. Organick L et al. 2018. גישה אקראית באחסון נתוני DNA בקנה מידה גדול. טבע ביוטכנולוגיה. 36. https://doi.org/10.1038/nbt.4079
