أصبح من الممكن تخزين البيانات بشكل كامل استنادًا إلى الحمض النووي بفضل الإنجاز الأخير

في عالمنا الرقمي المتسارع اليوم، تعتمد كل شركة على البيانات. وتتزايد كمية بيانات الأعمال بسرعة، لا سيما مع ظهور تقنيات متقدمة مثل تحليل البيانات، إنترنت الأشياء (تقنيات عمليات)والذكاء الاصطناعي، اللذان يعملان على توليد واستخدام كميات هائلة من البيانات.

من المحتمل أن تكون هذه البيانات مهمة، ومن الضروري الآن أكثر من أي وقت مضى تأمينها بطريقة فعالة وموثوقة وآمنة. لتخزين البيانات، تحتاج إلى حلول تخزين للوصول إلى المعلومات الحيوية وتنظيمها وإدارتها ومشاركتها واستخدامها بشكل فعال.

مع أن جهاز الكمبيوتر لديك يتمتع بسعة تخزين، إلا أنها محدودة ومُخزّنة على جهاز، لذا لا يمكن استخدامها إلا أثناء تشغيل الجهاز وتبقى حتى يتم حذفها. لتخزين بياناتك على المدى الطويل، تحتاج إلى حلول تخزين بيانات.

أجهزة التخزين تنقسم بشكل رئيسي إلى مجموعتين:

• التخزين المباشر للمنطقة (DAS)
• التخزين القائم على الشبكة

يتصل DAS بشكل مباشر بجهاز الكمبيوتر الذي يتصل به، ورغم أنه يمكنه توفير خدمات النسخ الاحتياطي المحلية اللائقة، فإن المشاركة محدودة إلى حد ما. تشمل الأجهزة في هذه الفئة الأقراص المرنة ومحركات الأقراص المحمولة والأقراص الضوئية مثل الأقراص المضغوطة وأقراص DVD. 

الآن، يعد التخزين المستند إلى الشبكة هو الخيار الأفضل للاستخدام في مشاركة البيانات والتعاون، حيث يسمح لأجهزة كمبيوتر متعددة بالوصول إلى البيانات عبر الشبكة. تنقسم إعدادات التخزين المستند إلى الشبكة بشكل أساسي إلى نوعين: التخزين المرفق بالشبكة (NAS) وشبكة منطقة التخزين (SAN). 

يتضمن نظام NAS جهازًا متصلًا بشبكة. هنا، يتم تخزين البيانات واسترجاعها من موقع مركزي. يتيح خيار التخزين الشبكي الميسور التكلفة هذا لمستخدمين متعددين تخزين الملفات ومشاركتها عبر شبكة TCP/IP عبر Wi-Fi أو كبل.

SAN عبارة عن شبكة متخصصة عالية السرعة تربط مجموعات مشتركة من أجهزة التخزين بخوادم متعددة. وهي تتضمن أجهزة متعددة من أنواع مختلفة، والتي تشمل:

القرص ذو الحالة الصلبة (SSD) هو نوع من الأقراص الصلبة أسرع من الأقراص التقليدية التي تستخدم ذاكرة فلاش ومحركات أقراص فلاش، وهي خيارات تعتمد على الإلكترونيات حيث يمكن تحديث البيانات عن طريق عمليات المسح أو الكتابة. في الوقت نفسه، يتضمن التخزين الهجين مزيجًا من أنواع مختلفة من التخزين: تخزين الفلاش، وأقراص SSD، ومحركات الأقراص الميكانيكية (HDD).

يعد التخزين السحابي طريقة أخرى فعّالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير لأن البيانات يتم تخزينها افتراضيًا، وبالتالي تتطلب الوصول إلى الإنترنت أو شبكة خاصة. يستخدم التخزين السحابي الهجين أنواعًا مختلفة من السحب، العامة والخاصة والهجينة، لأحمال عمل مختلفة. 

تطوير تقنية جديدة لتخزين البيانات الرقمية بكفاءة أكبر 

وعلى الرغم من كل هذه الخيارات، يسعى العالم إلى حلول أكثر كفاءة في مواجهة عالم رقمي من المتوقع أن يضيف المزيد من التعقيد إلى حياتنا. حوالي 175 زيتابايت من البيانات سنويا بحلول عام 2025. وتدعو مجموعة متزايدة من الباحثين الآن إلى استخدام الحمض النووي كخيار مستقر ومستدام لتلبية هذا الطلب.

يتم بالفعل استكشاف الحمض النووي لتخزين البيانات، على الرغم من أنه لا يزال في مراحله المبكرة، مع حجم السوق 70 مليون دولار فقطومع ذلك، من المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب يتجاوز 80% بحلول عام 2032.

تخزين بيانات الحمض النووي هو بالضبط ما يشير إليه: تخزين البيانات الرقمية في الحمض النووي (أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين)، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الجينية اللازمة لتطور الكائن الحي ووظائفه. 

لتكوين الحمض النووي، تتحد أربعة نيوكليوتيدات مختلفة - الأدينين (A)، والسيتوزين (C)، والجوانين (G)، والثايمين (T) - لتشكيل بنية حلزونية مزدوجة، حيث يلتف خيطان مرتبطان حول بعضهما البعض.

عند تخزين البيانات في الحمض النووي، يتم ترميز البيانات الثنائية في خيوط الحمض النووي المركبة ثم فك شفرتها منها. يُعرف الحمض النووي بأنه مستقر وكثيف ولديه القدرة على الاستمرار لفترة طويلة. هذه الصفات تجعل الحمض النووي وسيلة تخزين جذابة. 

"يتمتع الحمض النووي الاصطناعي بالقدرة على تخزين كميات هائلة من البيانات أكثر من الأجهزة الحالية، وبطريقة تعد بأن تكون أكثر استدامة."

- كارين شتراوس، مديرة الأبحاث الرئيسية في قسم الأبحاث في مايكروسوفت

بالإضافة إلى تخزين البيانات، فإن الحمض النووي له أيضًا تم استكشافها للحوسبة. منذ عقود عديدة الآن، أصبحت الحوسبة باستخدام الحمض النووي موضوعًا للبحث والتطوير نظرًا لتقديمها فوائد قابلية التوسع والمتانة وكفاءة الطاقة، من بين أمور أخرى.

في عام 2019، أجرى باحثون من مايكروسوفت وجامعة واشنطن كشف النقاب عن أول نظام آلي بالكامل لتخزين واسترجاع البيانات باستخدام الحمض النووي المركب. يتضمن ذلك تشفير كلمة "مرحبا" في جزيئات الحمض النووي الاصطناعي الذي تم إنشاؤه في المختبر ثم تحويله مرة أخرى.

تشير الاختراقات الحديثة في مجال الحوسبة الجزيئية إلى أنه قد يكون بوسعنا تشغيل شبكات كمبيوتر كاملة داخل الخلايا الحية في المستقبل القريب. ورغم أن تخزين الحمض النووي موجود بالفعل منذ فترة، فإن الدراسة الجديدة تعرض أول حاسوب جزيئي وظيفي قادر على التخزين والحوسبة عبر الحمض النووي بدلاً من استخدام الكهرباء.

في وقت سابق من هذا العام، قام المهندسون في جامعة مينيسوتا ومعهد روتشستر للتكنولوجيا (RIT) وجدت وسيلة لمعالجة البيانات المخزنة في الحمض النووي. تم تصميم "الدائرة المتكاملة الدقيقة" هذه للعمل من خلال حسابات الشبكة العصبية الاصطناعية على البيانات المخزنة في الحمض النووي. وفقًا للمؤلف المشارك في البحث أملان جانجولي:

"نحن في عصر البيانات الضخمة التي تحتاج إلى تخزينها في مكان ما."

وأشار أيضاً إلى أن بناء المزيد من مراكز البيانات ليس هو الحل لأن كل منها يتطلب البناء والصيانة والتشغيل، وهو أمر غير مستدام.

اقترحت هذه الدراسة تمثيل الأرقام من خلال تركيزات المحاليل التي تحتوي على جزيئات DNA تم التلاعب بها بشكل خاص. من شأن هذا التلاعب أن يمثل عمليات حسابية مثل الجمع والضرب وغيرها من الوظائف غير الخطية الأساسية لإجراء العمليات الحسابية على الشبكة.

قبل عامين، قام مارك باثي، أستاذ الهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وزملاؤه أيضًا عرضت طريقة لاختيار الملف المطلوب من بين خليط من العديد من قطع الحمض النووي. وللقيام بذلك، قام الباحثون بتغليف كل ملف بيانات في جسيم من السيليكا يبلغ حجمه 6 ميكرومتر، مع وضع علامات على تسلسلات الحمض النووي القصيرة التي تكشف عن المحتويات.

المصدر ميت أخبار

في معرض حديثه عن الإمكانات الهائلة للحمض النووي (DNA) لتلبية المتطلبات المتزايدة لتخزين كميات هائلة من البيانات، أشار باثي إلى خاصيته المثيرة للاهتمام، وهي عدم استهلاكه أي طاقة بعد تكوين بوليمر الحمض النووي. ما عليك سوى كتابة الحمض النووي وتخزينه إلى أجل غير مسمى.

حتى أن الباحثين المقترح استخدام استقرار الحمض النووي ومتانته لتشفير البيانات الرقمية بهدف تأمين وحماية الأصول الرقمية.

المزيد من الباحثين والمنظمات دراسة إمكانات الحمض النووي لتخزين البيانات والحوسبة. يبلغ حجم سوق تخزين البيانات العالمي حاليًا $ 217 مليار دولار و ومن المتوقع أن تصل قيمة سوق النفط العالمية إلى 777.98 مليار دولار بحلول نهاية هذا العقد.

ثورة في الحوسبة القائمة على الحمض النووي تُحدث ثورة في تخزين البيانات

في أحدث دراسة ، نشرت في الطبيعةأظهر باحثون من جامعة جونز هوبكنز وجامعة ولاية كارولينا الشمالية تقنية لتخزين البيانات ووظائف الحوسبة باستخدام الحمض النووي بدلاً من الإلكترونيات.

تستطيع هذه التقنية تخزين البيانات واسترجاعها وحسابها ومسحها وإعادة كتابتها بشكل متكرر. وبينما استطاعت تقنيات تخزين وحوسبة الحمض النووي السابقة أداء بعض هذه المهام، إلا أنها لم تتمكن من إنجازها جميعها.

"في تقنيات الحوسبة التقليدية، نعتبر أن طرق تخزين البيانات وطريقة معالجتها متوافقة مع بعضها البعض."

- ألبرت كيونج، قائد الدراسة وأستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة ولاية كارولينا الشمالية

وأضاف أيضا:

"ولكن في الواقع، يتم تخزين البيانات ومعالجتها في أجزاء منفصلة من الكمبيوتر، وأجهزة الكمبيوتر الحديثة عبارة عن شبكة من التقنيات المعقدة." 

نظرًا لأن البيانات المعتمدة على الحمض النووي يتم تخزينها في شكل أحماض نووية، فإن الحوسبة المعتمدة على الحمض النووي تواجه صعوبات في كيفية تخزينها واسترجاعها وحسابها.

ما يجعل الحوسبة الإلكترونية جذابة هو توافق جميع مكونات الجهاز. لكن مع تخزين بيانات الحمض النووي، يختلف الأمر. فبينما يوفر تخزين البيانات القائم على الحمض النووي فوائد طويلة الأمد، يُعتقد أن تطوير تقنية حمض نووي قادرة على تغطية كامل نطاق العمليات الموجودة في الأجهزة الإلكترونية التقليدية سيكون صعبًا أو مستحيلًا. 

والآن، أظهرت الدراسة الأخيرة أن هذه التقنيات المعتمدة على الحمض النووي هي في الواقع "قابلة للتطبيق لأننا ابتكرنا واحدة منها".

وقد تم تحقيق ذلك بمساعدة التقنيات الحديثة التي مكنت من إنشاء مواد بوليمرية ناعمة ذات أشكال فريدة. ووفقًا للمؤلف المشارك في الدراسة، أورلين فيليف:

"على وجه التحديد، قمنا بإنشاء هياكل بوليمرية نطلق عليها اسم "الدندركولويدات" - وهي تبدأ على المستوى المجهري ولكنها تتفرع من بعضها البعض بطريقة هرمية لإنشاء شبكة من الألياف النانوية."  

في عام 2019، أظهرت الأبحاث من جامعة ولاية كارولينا الشمالية أن البوليمرات المختلفة المترسبة من المحاليل في ظل ظروف خاصة يمكن أن تخلق مواد جزيئية شجرية ناعمة وفريدة من نوعها ذات مادة لاصقة مميزة (مثل تلك الموجودة في أقدام الوزغة، والتي تسمح لها بالالتصاق بأي سطح تقريبًا) وخصائص بناء البنية.

في ذلك الوقت، شارك فيليف في استخدام تقنية التصنيع النانوي "السائل" لتحويل البوليمرات إلى جسيمات متفرعة بعد إذابة البوليمر وخلط المحلول بسرعة مع سائل آخر. هذا الخلط السريع في تدفق مضطرب، وهي عملية فوضوية بطبيعتها، أنتج جسيمات متفرعة في هياكل هرمية.

كما قدمت جامعة ولاية كارولينا الشمالية أيضًا براءة اختراع للمواد الشجرية اللينة بالإضافة إلى عملية إنشائها.

أما بالنسبة لدراسة حلول تخزين الحمض النووي، فإن البنية التي أنشأوها تتمتع بمساحة سطح عالية، مما يسمح للباحثين بإيداع الحمض النووي بين النانوألياف. هذه تم تحقيقه دون التضحية بكثافة البيانات، مما يجعل الحمض النووي جذابًا لتخزين البيانات.

"يمكنك وضع بيانات تعادل ألف جهاز كمبيوتر محمول في وحدة تخزين تعتمد على الحمض النووي بنفس حجم ممحاة قلم رصاص."

- كيونغ

صرح المؤلف الأول للورقة البحثية، كيفن لين، وهو طالب دكتوراه سابق في جامعة ولاية كارولينا الشمالية، أن القدرة على التمييز بين معلومات الحمض النووي والألياف النانوية المخزنة عليها تمكن من أداء العديد من الوظائف نفسها التي يمكن للمرء أن يؤديها باستخدام الأجهزة الإلكترونية. 

وبحسب قوله، يمكن نسخ معلومات الحمض النووي مباشرة من سطح المادة دون الإضرار بالحمض النووي نفسه. وبجانب القدرة على محو أجزاء مستهدفة من الحمض النووي ثم إعادة كتابتها على نفس السطح، وجدت الدراسة أن ترسيب الحمض النووي على مادة الدندركولويد يساعد بالفعل في الحفاظ على الحمض النووي.

وأشار فيليف إلى أنهم من خلال الدراسة "يوفرون ما يعادل الدوائر الدقيقة"، وتوفر المادة الشجرية لوحة الدائرة.

إن تقنية التخزين والحوسبة الجديدة القائمة على الحمض النووي، والتي يطلق عليها "محرك تخزين وحوسبة الحمض النووي البدائي"، قادرة أيضًا على حل مسائل السودوكو والشطرنج البسيطة. وتشير الاختبارات إلى أن هذه التقنية قادرة على تخزين البيانات بأمان لآلاف السنين. وعلاوة على ذلك، فإن "المادة المضيفة الغروانية الشجرية نفسها غير مكلفة نسبيًا وسهلة التصنيع"، وفقًا لفيليف.

الشركات العاملة في مجال تخزين بيانات الحمض النووي والحوسبة 

نظراً لأهمية البيانات والحاجة إلى حلول أكثر كفاءة، تتطلع العديد من الشركات إلى تخزين بيانات الحمض النووي، والحوسبة، والتقنيات الجزيئية. على سبيل المثال، تقدم شركة Thermo Fisher Scientific (TMO) حلولاً شاملة لتسلسل الحمض النووي وعلم الأحياء الجزيئي، بينما تركز شركة Agilent Technologies (A) على التقنيات القائمة على الحمض النووي، وتتخصص شركة Pacific Biosciences of California (PACB) في تقنية التسلسل طويل القراءة. كما طورت شركة Helixworks Technologies مواد تخزين بيانات الحمض النووي القابلة للبرمجة لتشفير ملفات البيانات أو التطبيقات الصغيرة مباشرةً في البنية الجزيئية للجسم.

الآن، سنلقي نظرةً أكثر تفصيلًا على اسمين بارزين في هذا المجال. شكّلت كلتا الشركتين، إلى جانب مايكروسوفت وويسترن ديجيتال والعديد من المؤسسات الأعضاء الأخرى، تحالف تخزين بيانات الحمض النووييهدف التحالف إلى معالجة نمو البيانات الرقمية من خلال تقديم حل منخفض التكلفة ومستدام لتخزين البيانات الأرشيفية باستخدام الحمض النووي واستكشاف تسويقه المبكر.

# 1. شركة تويست بيوسينس 

تتخصص هذه الشركة في الحمض النووي الاصطناعي، وتركز بشكل كبير على تقنيات تخزين بيانات الحمض النووي. تبلغ قيمتها السوقية 2.57 مليار دولار أمريكي، ويُتداول سهم تويست بيوساينس حاليًا عند 43.98 دولارًا أمريكيًا، بارتفاع نسبته 19.32% منذ بداية العام. يبلغ ربح السهم (الربع الأخير من العام) -3.81، ونسبة السعر إلى الربحية (الربع الأخير من العام) -11.53.

للربع الثاني من عام 2، الشركة وذكرت بلغت الإيرادات 75.3 مليون دولار، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 25% عن نفس الربع من العام الماضي. كما ارتفعت الهامش الإجمالي إلى 41% مقارنة بـ 31%. وفي الوقت نفسه، تم شحن حوالي 193,000 ألف جين خلال الفترة. 293.3 مليون دولار وأفيد نقدًا وما يعادله واستثمارات قصيرة الأجل.

"نحن نواصل ثباتنا وتركيزنا على طريقنا نحو الربحية."

- الرئيس التنفيذي والمؤسس المشارك إيميلي م. ليبروست، دكتوراه.

# 2. البورشيد

هذه الشركة رائدة في مجال حلول التسلسل والمصفوفات، وهي ضرورية لمعالجة بيانات الحمض النووي وتخزينها. تبلغ قيمتها السوقية 20.77 مليار دولار أمريكي، ويُتداول سهم Illumina حاليًا عند 130.42 دولارًا أمريكيًا، بانخفاض 6.33% منذ بداية العام. يبلغ ربح السهم (الربع الأخير من العام) -19.18، ونسبة السعر إلى الربحية (الربع الأخير من العام) -6.80.

للربع الثاني من عام 2، الشركة وذكرت بلغت الإيرادات 1.09 مليار دولار، بانخفاض 6% عن الربع الثاني من عام 2. وبلغ هامش التشغيل وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا 23%، وبلغ هامش التشغيل غير المقبول وفقًا للمبادئ المحاسبية المقبولة عمومًا 40.5%. وفي نهاية الربع، تم الاحتفاظ بمبلغ 22.2 مليون دولار نقدًا وما يعادله واستثمارات قصيرة الأجل.

"حقق فريق Illumina نتائج فاقت توقعاتنا خلال الربع، بفضل التنفيذ المنضبط لأولوياتنا الاستراتيجية."

- الرئيس التنفيذي جاكوب ثايسن

خاتمة

إن التحول الرقمي المتزايد في العالم يعني أن البيانات الرقمية على وشك النمو بشكل هائل. ومن المتوقع أن يتجاوز هذا الانفجار في البيانات سعة تكنولوجيا التخزين الحالية، مما يدفع إلى الحاجة إلى استكشاف وتبني حلول جديدة مثل تخزين الحمض النووي.

وكما أظهرت الدراسة الجديدة، فإن الاختراقات المستمرة تجعل من الممكن تحقيق مجموعة كاملة من وظائف تخزين البيانات والحوسبة. وتشمل هذه العمليات تخزين البيانات، ونقلها، والقدرة على قراءة أو إعادة كتابة أو مسح أو إعادة تحميل أو حساب ملفات بيانات محددة - كل ذلك بطرق قابلة للبرمجة والتكرار دون تدهور الحمض النووي.

إن الحمض النووي، وهو جزيء رائع يوجد في كل خلية حية، يتمتع بكثافة عالية للغاية، مما يجعله الحل المثالي للتخزين طويل الأمد (ليس فقط لمئات بل لآلاف السنين). وهذا يشير إلى إمكاناته الهائلة في تحويل عالم التخزين والحوسبة.

انقر هنا لمعرفة كيف يمكن للتلاعب بمراكز ألوان الماس أن يؤدي إلى تحويل تخزين البيانات.