موفقيت دانشمندان در ذخيرهسازي اطلاعات در باكتريهاي زنده
هارد ديسكها و درايوهاي نوري با فشار يك دكمه چندين گيگابايت دادهي ديجيتالي را ذخيره ميكنند. اما اين فناوريها (همچون نوارهاي مغناطيسي و درايوهاي فلاپي پيش از آنها) وقتي مغلوب فناوري جديد شوند، منسوخ و غيرقابل خواندن ميشوند.
بهگزارش ساينس، پژوهشگران راهي براي نوشتن الكترونيكي دادهها درون DNA باكتريهاي زنده پيدا كردهاند كه گزينهي ذخيرهسازي است كه بعيد است كه به اين زودي منسوخ شود. ست شيپمن، متخصص مهندسي زيستشناسي در مؤسسه پژوهشي گلدستون و دانشگاه كاليفرنيا كه در كار جديد مشاركتي نداشت، ميگويد: «اين قدم واقعا خوبي است اما هنوز با متخصصدهاي اين فناوري در جهان واقعي فاصلهي بسيار زيادي داريم.»
مولكول DNA به چند دليل براي ذخيرهسازي دادهها جذاب است. اولا، تراكم آن بيش از هزار برابر بيشتر از فشردهترين درايو هارد ديسكها است كه آن را قادر ميسازد تا معادل ۱۰ فيلم ديجيتالي كامل را در حجمي به اندازهاي دانهاي نمك ذخيره كند. علاوهبراين، از آنجايي كه DNA نقش محوري در زيستشناسي دارد، انتظار ميرود فناوريهاي خوانش و نوشتن آن با گذشت زمان ارزانتر و قدرتمندتر شود.
باكتري اشريشيا كلي ميتواند پالسهاي الكتريكي را به قطعاتي از DNA ذخيرهشده در ژنوم خود تبديل كند
ذخيره كردن دادهها در DNA ايدهي جديدي نيست. پژوهشگران براي انجام اين كار معمولا رشتهي صفر و يكهاي ديجيتالي فايل داده را به تركيباتي از چهار باز مولكول DNA تبديل ميكنند: آدنين، گوانين، سيتوزين و تيمين. آنها سپس از تركيبگر DNA براي نوشتن اين كد در DNA استفاده ميكنند. اما هرچه كد طولانيتر شود، دقت سنتز DNA كاهش پيدا ميكند، بنابراين، پژوهشگران معمولا فايل خود را به چند قسمت تقسيم ميكنند و آنها را در قطعههايي از DNA با طول ۲۰۰ تا ۳۰۰ باز مينويسند. بهمنظور شناسايي محل قطعات درون فايل، به هر قطعه يك انديس داده ميشود و سپس توالييابهاي DNA قطعهها را ميخوانند تا فايل را دوباره مونتاژ كنند.
اما فناوري مذكور گران است و هزينه توليد يك مگابايت اطلاعات در آن به ۳۵۰۰ دلار ميرسد. علاوهبراين، ويالهاي حاوي DNA كه در آن اطلاعات ذخيره ميشود، با گذشت زمان ميتواند تخريب شود.
پژوهشگران اكنون بهمنظور ايجاد محيط پايدارتر و با رمزگذاري آسانتر، درحال تلاش براي نوشتن دادهها در DNA موجودات زنده هستند كه ژنهاي خود را نسخهبرداري و به نسل بعد منتقل ميكنند.
در سال ۲۰۱۷، گروهي از پژوهشگران به سرپرستي هريس وانگ متخصص زيستشناسي دستگاهها از دانشگاه كلمبيا از سيستم ويرايش ژن كريسپر براي تشخيص سيگنالهاي بيولوژيكي مانند حضور قند فروكتوز استفاده كرد. وقتي پژوهشگران فروكتوز را به سلولهاي اشريشيا كلي اضافه كردند، بيان ژن در قطعاتي از DNA حلقهاي شكل به نام پلاسميدها افزايش يافت. در مرحلهي بعد، اجزاي كريسپر كه براي دفاع از باكتري دربرابر مهاجمان ويروسي تكامل يافتهاند، پلاسميدهاي داراي بيان اضافي را به قطعاتي خرد كردند و مقداري از آن را در بخش خاصي از DNA باكتري كه مهاجمان ويروسي قبلي را به خاطر ميآورد، قرار دادند.
قطعهي ژنتيكي درجشده نشاندهندهي يك بيت ديجيتال است. اگر سيگنال فروكتوز وجود نداشته باشد، باكتري قطعهاي تصادفي از DNA را ذخيره ميكند كه نشاندهندهي صفر ديجيتالي است. سپس، توالييابي DNA باكتري بهصورت صفر يا يك نشان ميدهد كه آيا باكتري درمعرض فروكتوز قرار گرفته است.
اما ازآنجايي كه اين سيستم فقط ميتواند چند بيت داده را در خود ذخيره كند، وانگ و همكارانش سيستم تشخيص فروكتوز را با سيستمي جايگزين كردند كه ميتواند رشتههاي طولانيتري از اطلاعات را رمزگذاري كند: يك ورودي الكترونيكي. آنها مجموعهاي از ژنها را وارد باكتري كردند كه سلول را قادر ميساخت بيان پلاسميد را در پاسخ به ولتاژ الكتريكي افزايش دهد. مانند سيستم فروكتوز، افزايش در بيان موجب ذخيرهشدن «يك» ديجيتالي در DNA باكتري ميشد. پژوهشگران براي خواندن صفر و يكها باكتري را تعيين توالي كردند.
وانگ و همكارانش با استفاده از رويكرد خود بهطور الكترونيكي تا ۷۲ بيت داده را براي نوشتن پيام: «!Hello world» رمزگذاري كردند. آنها نتايج پژوهش خود را در مجلهي Nature Chemical Biology گزارش كردند.
پژوهشگران همچنين نشان دادند كه ميتوانند ايكولاي حاوي پيام را به مخلوطي از ميكروبهاي طبيعي خاك اضافه كنند و سپس مخلوط ميكروبها را تعيين توالي كنند تا پيام ذخيرهشده خود را بازيابي كنند. وانگ ميگويد هنوز روزهاي نخست ذخيرهسازي داده در ارگانيسمهاي زنده است. او ميگويد: «قرار نيست كه با سيستمهاي ذخيره كنوني رقابت كنيم.» پژوهشگران همچنين بايد راههايي پيدا كنند تا پيام آنها هنگام جهش در زمان تكثير باكتري تخريب نشود.
هم انديشي ها