تخزين البيانات القائم على الحمض النووي DNA بالكامل والوظيفي أصبح ممكنًا بفضل الإنجاز الأخير

في عالمنا الرقمي الفائق اليوم، تعتمد كل شركة على البيانات. كمية بيانات الأعمال تتزايد بسرعة، خاصة مع ظهور تقنيات متقدمة مثل تحليلات البيانات، إنترنت الأشياء (IoT)، والذكاء الاصطناعي، التي تولد وتستخدم كميات هائلة من البيانات.

هذه البيانات قد تكون مهمة، ومن الضروري الآن أكثر من أي وقت مضى تأمينها بطريقة فعّالة، موثوقة، وآمنة. لتخزين البيانات، تحتاج إلى حلول تخزين تمكنك من الوصول إلى المعلومات الحيوية، تنظيمها، إدارتها، مشاركتها واستخدامها.

بينما يمتلك حاسوبك قدرة تخزين، فهي محدودة ومخزنة على جهاز، لذا لا يمكن استخدامها إلا عندما يكون الجهاز قيد التشغيل وتستمر حتى يتم حذفها. لتخزين بياناتك على المدى الطويل، تحتاج إلى حلول تخزين البيانات.

أجهزة التخزين تنقسم أساسًا إلى مجموعتين:

• التخزين المباشر (DAS)
• التخزين القائم على الشبكة

DAS متصل مباشرةً بالآلة الحاسبة التي تصل إليه، وعلى الرغم من أنه يمكنه توفير خدمات نسخ احتياطي محلية جيدة، إلا أن المشاركة محدودة إلى حد ما. تشمل الأجهزة في هذه الفئة الأقراص المرنة، محركات الفلاش، والأقراص الضوئية مثل الأقراص المدمجة (CD) وأقراص الفيديو الرقمية (DVD). 

الآن، التخزين القائم على الشبكة هو الخيار الأنسب للمشاركة والتعاون، حيث يسمح لعدة حواسيب بالوصول إلى البيانات عبر شبكة. إعدادات التخزين القائم على الشبكة تنقسم أساسًا إلى نوعين: التخزين المتصل بالشبكة (NAS) وشبكة منطقة التخزين (SAN). 

NAS يتضمن جهازًا متصلًا بالشبكة. هنا، يتم تخزين البيانات واسترجاعها من موقع مركزي. يتيح هذا الخيار الاقتصادي لتخزين الشبكة لمستخدمين متعددين تخزين ومشاركة الملفات عبر شبكة TCP/IP عبر الواي‑فاي أو كابل.

SAN هي شبكة عالية السرعة متخصصة تربط مجموعات مشتركة من أجهزة التخزين بعدة خوادم. تشمل عدة أجهزة من أنواع مختلفة، والتي تشمل:

قرص الحالة الصلبة (SSD) هو نوع من الأقراص الصلبة أسرع من التقليدية التي تستخدم الذاكرة الفلاش ومحركات الفلاش، وهي خيارات إلكترونية يمكن تحديث البيانات فيها عبر عمليات المسح أو الكتابة. التخزين الهجين، من ناحية أخرى، يجمع بين أنواع مختلفة من التخزين:  التخزين الفلاش، SSDs، ومحركات الأقراص الميكانيكية (HDDs).

التخزين السحابي هو طريقة أخرى فعّالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع لأن البيانات تُخزن افتراضيًا وبالتالي تتطلب اتصالًا بالإنترنت أو شبكة خاصة. التخزين السحابي الهجين يستخدم سحابات مختلفة، عامة، خاصة، وهجينة، لأعباء عمل مختلفة. 

تطوير تقنية جديدة لتخزين البيانات الرقمية بشكل أكثر كفاءة 

على الرغم من كل هذه الخيارات، يسعى العالم إلى حلول أكثر كفاءة في ظل كون الكون الرقمي يتوقع أن يضيف حوالي 175 زيتابايت من البيانات سنويًا بحلول عام 2025. مجموعة متزايدة من الباحثين الآن يدعون إلى استخدام الحمض النووي كخيار ثابت ومستدام لتلبية هذا الطلب.

في الوقت الحالي، يُستكشف الحمض النووي لتخزين البيانات، رغم أنه لا يزال في مراحله الأولى، مع حجم سوق يبلغ فقط 70 مليون دولار. ومع ذلك، يُقدّر أنه سينمو بمعدل نمو سنوي مركب يزيد عن 80٪ بحلول عام 2032.

تخزين البيانات على الحمض النووي هو بالضبط ما يعنيه الاسم: تخزين البيانات الرقمية في الحمض النووي (DNA) أو الحمض الريبي النووي، الجزيء الذي يحمل المعلومات الجينية لتطور الكائن الحي وعمله. 

لإنشاء الحمض النووي، تتحد أربعة نوكليوتيدات مختلفة—الأدينين (A)، السيتوزين (C)، الجوانين (G)، والثيمين (T)—لتشكل بنية حلزون مزدوج، حيث يلتف خيطان مرتبطان حول بعضهما.

عند تخزين البيانات في الحمض النووي، يتم ترميز البيانات الثنائية في خيوط الحمض النووي المُصنّعة ثم فك ترميزها منها. يُعرف الحمض النووي بثباته، كثافته، وقدرته على البقاء لفترات طويلة. هذه الصفات تجعل الحمض النووي وسط تخزين جذاب. 

“الحمض النووي الصناعي لديه القدرة على تخزين أضعاف البيانات مقارنةً بالأجهزة الحالية، وبطريقة تعد أكثر استدامة بكثير.”

– كارين شتراوس، مديرة أبحاث رئيسية أولى في مايكروسوفت ريسيرتش

إلى جانب تخزين البيانات، تم استكشاف الحمض النووي أيضًا للحوسبة. على مدى عقود، كان حوسبة الحمض النووي موضوع بحث وتطوير بسبب ما تقدمه من قابلية التوسع، المتانة، وكفاءة الطاقة، وغيرها.

في عام 2019، كشف باحثون من مايكروسوفت وجامعة واشنطن عن أول نظام مؤتمت بالكامل لتخزين واسترجاع البيانات باستخدام الحمض النووي الصناعي. شمل ذلك ترميز كلمة ‘hello’ في جزيئات الحمض النووي الصناعي التي تم إنشاؤها في المختبر ثم تحويلها مرة أخرى.

تشير الاختراقات الحديثة في الحوسبة الجزيئية إلى أننا قد نتمكن قريبًا من تشغيل شبكات حاسوبية كاملة داخل خلايا حية. بينما كانت حوسبة الحمض النووي موجودة منذ فترة، تُظهر الدراسة الجديدة أول حاسوب جزيئي وظيفي قادر على كل من التخزين والحوسبة عبر الحمض النووي بدلاً من الكهرباء.

في وقت سابق من هذا العام، وجد مهندسون في جامعة مينيسوتا ومعهد روتشستر للتكنولوجيا (RIT) طريقة لمعالجة البيانات المخزنة في الحمض النووي. تم تصميم “الدائرة المتكاملة الميكروfluidic” لتعمل عبر حسابات الشبكات العصبية الاصطناعية على البيانات المخزنة في الحمض النووي. وفقًا للمؤلف المشارك أملان غانغولي:

“نحن في عصر البيانات الضخمة التي تحتاج إلى مكان لتخزينها.”

كما أشار إلى أن بناء المزيد من مراكز البيانات ليس هو الجواب لأن كل مركز يتطلب بناءً، صيانة، وتشغيلًا، وهو أمر غير مستدام.

اقترحت هذه الدراسة تمثيل الأعداد من خلال تركيزات حلول تحتوي على جزيئات حمض نووي مُعالجة خصيصًا. ستمثل هذه المعالجة عمليات الحوسبة مثل الجمع، الضرب، وغيرها من الدوال غير الخطية الضرورية لأداء حسابات الشبكات.

منذ بضع سنوات، عرض مارك باته، أستاذ الهندسة البيولوجية في MIT وزملاؤه، أيضًا طريقة لاختيار الملف المطلوب من مزيج من قطع الحمض النووي المتعددة. للقيام بذلك، قام الباحثون بتغليف كل ملف بيانات داخل جسيم سيليكا بحجم 6μm، مُعلَّم بتسلسلات حمض نووي قصيرة تكشف محتوياته.

المصدر: MIT News

مناقشة الإمكانات الهائلة للحمض النووي لتلبية الطلب المتصاعد على تخزين كميات هائلة من البيانات، أشار باته إلى خاصية مثيرة للاهتمام وهي عدم استهلاك أي طاقة بمجرد إنشاء بوليمر الحمض النووي. ببساطة تكتب الحمض النووي وتخزنه إلى أجل غير مسمى.

لقد اقترح الباحثون أيضًا استخدام استقرار ومتانة الحمض النووي لتشفير البيانات الرقمية من أجل تأمين وحماية الأصول الرقمية.

المزيد من الباحثين والمؤسسات يدرسون إمكانات الحمض النووي لتخزين البيانات والحوسبة. سوق تخزين البيانات العالمي حاليًا يبلغ $217 مليار ومن المتوقع أن يصل إلى $777.98 مليار بنهاية هذا العقد.

اختراق الحوسبة القائمة على الحمض النووي DNA يثوّر تخزين البيانات

في الدراسة الأخيرة، نُشرت في مجلة Nature، أظهر باحثون من جامعة جونز هوبكنز وجامعة ولاية كارولينا الشمالية تقنية تجمع بين وظائف تخزين البيانات والحوسبة باستخدام الحمض النووي بدلاً من الإلكترونيات. (MSFT )

يمكن لهذه التقنية تخزين البيانات، استرجاعها، حسابها، مسحها، أو إعادة كتابتها بشكل متكرر. بينما كانت تقنيات التخزين والحوسبة السابقة على الحمض النووي قادرة على أداء بعض هذه المهام، لم تستطع إكمالها جميعًا.

“في تقنيات الحوسبة التقليدية، نأخذ كأمر مسلم به أن طرق تخزين البيانات وطرق معالجتها متوافقة مع بعضها البعض.”

– ألبرت كيونغ، قائد الدراسة وأستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والبيومولكولية بجامعة ولاية كارولينا الشمالية

وأضاف أيضًا:

“لكن في الواقع، يتم تخزين البيانات ومعالجتها في أجزاء منفصلة من الحاسوب، وأجهزة الحاسوب الحديثة هي شبكة من تقنيات معقدة.”

نظرًا لأن البيانات القائمة على الحمض النووي تُخزن على شكل أحماض نووية، فإن حوسبة الحمض النووي تواجه صعوبة في كيفية تخزينها، استرجاعها، وحسابها.

ما يجعل الحوسبة الإلكترونية جذابة هو أن جميع مكونات الجهاز متوافقة. لكن مع تخزين البيانات على الحمض النووي، هذا ليس هو الحال. بينما يقدم تخزين البيانات على الحمض النووي فوائد طويلة الأمد، يُعتقد أن تطوير تقنية حمض نووي تغطي كامل نطاق العمليات الموجودة في الأجهزة الإلكترونية التقليدية سيكون صعبًا أو مستحيلًا.

الآن، تُظهر الدراسة الأخيرة أن هذه التقنيات القائمة على الحمض النووي “قابلة للتنفيذ لأننا أنشأنا واحدة”.

تحقق ذلك بمساعدة تقنيات حديثة مكنت من إنشاء مواد بوليمرية ناعمة ذات تشكيلات فريدة. وفقًا للمؤلف المشارك في الورقة، أورلين فيلف:

“على وجه التحديد، أنشأنا هياكل بوليمرية نسميها dendricolloids — تبدأ على المقياس الميكروي ثم تتفرع عن بعضها البعض بطريقة هرمية لتخلق شبكة من الألياف النانوية.”

في عام 2019، أظهرت أبحاث من جامعة ولاية كارولينا الشمالية أن البوليمرات المختلفة التي تتراكم من حلول تحت ظروف خاصة يمكن أن تُنشئ مواد جزيئية شجرية ناعمة ذات خصائص لاصقة مميزة (مثل أقدام الوشق التي تسمح لها بالالتصاق بأي سطح تقريبًا) وخصائص بناء هياكل.

في ذلك الوقت، شارك فيلف استخدام تصنيع نانوي “سائل” لتحويل البوليمرات إلى جسيمات متفرعة بعد إذابة البوليمر ومزج المحلول بسرعة مع سائل آخر. هذا الخلط السريع في تدفق مضطرب، وهو عملية فوضوية بطبيعتها، أنشأ جسيمات متفرعة بهياكل هرمية.

قدمت جامعة ولاية كارولينا الشمالية أيضًا براءة اختراع على المواد الشجرية الناعمة وكذلك العملية لإنشائها.

الآن، بالنسبة لدراسة حل تخزين الحمض النووي، فإن الهيكل الذي أنشأوه يمتلك مساحة سطحية عالية، مما يسمح للباحثين بإيداع الحمض النووي بين الألياف النانوية. تم تحقيق ذلك دون التضحية بكثافة البيانات، مما يجعل الحمض النووي جذابًا لتخزين البيانات.

“يمكنك وضع ما يعادل بيانات ألف حاسوب محمول في تخزين قائم على الحمض النووي بحجم مماثل لممحاة قلم رصاص.”

– كيونغ

ذكر مؤلف الورقة الأول، كيفن لين، طالب دكتوراه سابق في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، أن القدرة على التمييز بين معلومات الحمض النووي والألياف النانوية التي يُخزن عليها تمكّن من أداء العديد من الوظائف نفسها التي يمكن للأنظمة الإلكترونية القيام بها. 

وفقًا له، يمكن نسخ معلومات الحمض النووي مباشرةً من سطح المادة دون الإضرار بالحمض النووي نفسه. بالإضافة إلى القدرة على مسح قطع محددة من الحمض النووي ثم إعادة كتابتها على نفس السطح، وجدت الدراسة أن إيداع الحمض النووي على مادة dendricolloid ساعد فعليًا في حفظ الحمض النووي.

أشار فيلف إلى أنه مع هذه الدراسة، هم “يوفرون ما يعادل الدوائر الدقيقة”، وتوفر مادة dendricolloidal لوحة الدائرة.

هذه التقنية الجديدة لتخزين وحوسبة الحمض النووي، المسماة “محرك تخزين وحوسبة الحمض النووي البدائي”، قادرة أيضًا على حل سودوكو بسيط ومشكلات شطرنج 3 × 3. تشير الاختبارات إلى أن التقنية يمكن أن تخزن البيانات بأمان لآلاف السنين. بالإضافة إلى ذلك، “مادة المضيف الدندروكوليودية نفسها رخيصة نسبيًا وسهلة التصنيع”، وفقًا لفيليف.

الشركات المشاركة في تخزين البيانات والحوسبة القائمة على الحمض النووي DNA

نظرًا لأهمية البيانات والحاجة إلى حلول أكثر كفاءة، تتطلع عدة شركات إلى تخزين البيانات على الحمض النووي، الحوسبة، والتقنيات الجزيئية. على سبيل المثال، توفر Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) حلولًا شاملة لتسلسل الحمض النووي والبيولوجيا الجزيئية، بينما تركز Agilent Technologies (A ) (A) على التقنيات القائمة على الحمض النووي، وتختص Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) في تقنية التسلسل ذات القراءة الطويلة. ثم هناك Helixworks Technologies، التي أنشأت مادة تخزين بيانات برمجية على الحمض النووي لتشفير ملفات البيانات أو التطبيقات الصغيرة مباشرةً في بنية الجزيء للشيء.

الآن، سنلقي نظرة أكثر تفصيلًا على اسمين بارزين في هذا المجال. كلا هذين الشركتين، إلى جانب مايكروسوفت، Western Digital (WDC ) ، والعديد من المؤسسات الأعضاء الأخرى، شكلت DNA Data Storage Alliance (DTST ) . تهدف التحالف إلى معالجة نمو البيانات الرقمية من خلال تقديم حل تخزين أرشيفي منخفض التكلفة ومستدام باستخدام الحمض النووي واستكشاف تجارته المبكرة.

#1. Twist Bioscience Corporation 

تتخصص هذه الشركة في الحمض النووي الصناعي وتركز بشكل كبير على تقنيات تخزين البيانات على الحمض النووي. برأس مال سوقي يبلغ 2.57 مليار دولار، تتداول أسهم Twist Bioscience (TWST ) حاليًا عند 43.98 دولار، بارتفاع 19.32٪ منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي -3.81، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو -11.53.

في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن إيرادات قدرها 75.3 مليون دولار، بزيادة 25٪ مقارنةً بالربع نفسه من العام الماضي. كما ارتفع هامش الربح الإجمالي إلى 41٪ مقابل 31٪. في تلك الفترة، تم شحن حوالي 193,000 جين. تم الإبلاغ عن 293.3 مليون دولار في النقد، والنقد المعادل، والاستثمارات قصيرة الأجل.

“نظل ثابتين ومركزين على مسارنا نحو الربحية.”

– إيميلي م. ليبروست، الرئيس التنفيذي والمؤسس المشارك، د. ف.

#2. Illumina

تُعد هذه الشركة رائدة في حلول التسلسل والحلول القائمة على المصفوفات، وهي أساسية لمعالجة وتخزين البيانات على الحمض النووي. برأس مال سوقي يبلغ 20.77 مليار دولار، تتداول أسهم Illumina حاليًا عند 130.42 دولار، بانخفاض 6.33٪ منذ بداية العام. ربحية السهم (TTM) هي -19.18، ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) هو -6.80.

في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن إيرادات قدرها 1.09 مليار دولار، بانخفاض 6٪ مقارنةً بالربع الثاني من عام 2023. كان هامش التشغيل وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) 40.5٪، وهامش التشغيل غير GAAP 22.2٪. في نهاية الربع، كان لدى الشركة 994 مليون دولار في النقد، والنقد المعادل، والاستثمارات قصيرة الأجل.

“فريق Illumina قدم نتائج تفوق توقعاتنا في الربع، بفضل التنفيذ المنضبط لأولوياتنا الإستراتيجية.”

– الرئيس التنفيذي جاكوب تايسن

الخلاصة

إن الرقمنة المتزايدة للعالم تعني أن البيانات الرقمية في طريقها للنمو بشكل أسي. هذا الانفجار في البيانات سيتجاوز بكثير قدرة تقنيات التخزين الحالية، مما يدفع الحاجة إلى استكشاف واعتماد حلول جديدة مثل تخزين الحمض النووي.

كما أظهرت الدراسة الجديدة، فإن الاختراقات المستمرة تجعل من الممكن تحقيق مجموعة كاملة من وظائف تخزين البيانات والحوسبة. تشمل هذه العمليات تخزين البيانات، نقل البيانات، والقدرة على القراءة، إعادة الكتابة، المسح، إعادة التحميل، أو حساب ملفات بيانات محددة—كل ذلك بطرق قابلة للبرمجة ومتكررة دون إتلاف الحمض النووي.

الحمض النووي، جزيء رائع موجود في كل خلية حية، يقدم كثافة عالية جدًا، مما يجعله الحل المثالي للتخزين على المدى الطويل (ليس فقط لمئات بل لآلاف السنين). هذا يشير إلى إمكاناته الضخمة في تحويل عالم التخزين والحوسبة.

انقر هنا لتتعرف على كيفية تحويل مراكز اللون في الألماس إلى تقنية قد تُحدث ثورة في تخزين البيانات.