موفقیت دانشمندان در ذخیره‌سازی اطلاعات در باکتری‌های زنده – دیجیتال مارک

هارد دیسک‌ها و درایوهای نوری با فشار یک دکمه چندین گیگابایت داده‌ی دیجیتالی را ذخیره می‌کنند. اما این فناوری‌ها (همچون نوارهای مغناطیسی و درایوهای فلاپی پیش از آن‌ها) وقتی مغلوب فناوری جدید شوند، منسوخ و غیرقابل خواندن می‌شوند.

به‌گزارش ساینس، پژوهشگران راهی برای نوشتن الکترونیکی داده‌ها درون DNA باکتری‌های زنده پیدا کرده‌اند که گزینه‌ی ذخیره‌سازی است که بعید است که به این زودی منسوخ شود. ست شیپمن، متخصص مهندسی زیست‌شناسی در مؤسسه پژوهشی گلدستون و دانشگاه کالیفرنیا که در کار جدید مشارکتی نداشت، می‌گوید: «این قدم واقعا خوبی است اما هنوز با کاربردهای این فناوری در جهان واقعی فاصله‌ی بسیار زیادی داریم.»

مولکول DNA به چند دلیل برای ذخیره‌سازی داده‌ها جذاب است. اولا، تراکم آن بیش از هزار برابر بیشتر از فشرده‌ترین درایو هارد دیسک‌ها است که آن را قادر می‌سازد تا معادل ۱۰ فیلم دیجیتالی کامل را در حجمی به اندازه‌ای دانه‌ای نمک ذخیره کند. علاوه‌بر‌این، از آن‌جایی که DNA نقش محوری در زیست‌شناسی دارد، انتظار می‌رود فناوری‌های خوانش و نوشتن آن با گذشت زمان ارزان‌تر و قدرتمندتر شود.

_{باکتری اشریشیا کلی می‌تواند پالس‌های الکتریکی را به قطعاتی از DNA ذخیره‌شده در ژنوم خود تبدیل کند}

ذخیره کردن داده‌ها در DNA ایده‌ی جدیدی نیست. پژوهشگران برای انجام این کار معمولا رشته‌ی صفر و یک‌های دیجیتالی فایل داده را به ترکیباتی از چهار باز مولکول DNA تبدیل می‌کنند: آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین. آن‌ها سپس از ترکیب‌گر DNA برای نوشتن این کد در DNA استفاده می‌کنند. اما هرچه کد طولانی‌تر شود، دقت سنتز DNA کاهش پیدا می‌کند، بنابراین، پژوهشگران معمولا فایل خود را به چند قسمت تقسیم می‌کنند و آن‌ها را در قطعه‌هایی از DNA با طول ۲۰۰ تا ۳۰۰ باز می‌نویسند. به‌منظور شناسایی محل قطعات درون فایل، به هر قطعه یک اندیس داده می‌شود و سپس توالی‌یاب‌های DNA قطعه‌ها را می‌خوانند تا فایل را دوباره مونتاژ کنند.

اما فناوری مذکور گران است و هزینه تولید یک مگابایت اطلاعات در آن به ۳۵۰۰ دلار می‌رسد. علاوه‌بر‌این، ویال‌های حاوی DNA که در آن اطلاعات ذخیره می‌شود، با گذشت زمان می‌تواند تخریب شود.

پژوهشگران اکنون به‌منظور ایجاد محیط پایدارتر و با رمزگذاری آسان‌تر، درحال تلاش برای نوشتن داده‌ها در DNA موجودات زنده هستند که ژن‌های خود را نسخه‌برداری و به نسل بعد منتقل می‌کنند.

در سال ۲۰۱۷، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی هریس وانگ متخصص زیست‌شناسی دستگاه‌ها از دانشگاه کلمبیا از سیستم ویرایش ژن کریسپر برای تشخیص سیگنال‌های بیولوژیکی مانند حضور قند فروکتوز استفاده کرد. وقتی پژوهشگران فروکتوز را به سلول‌های اشریشیا کلی اضافه کردند، بیان ژن در قطعاتی از DNA حلقه‌ای شکل به نام پلاسمیدها افزایش یافت. در مرحله‌ی بعد، اجزای کریسپر که برای دفاع از باکتری دربرابر مهاجمان ویروسی تکامل یافته‌اند، پلاسمیدهای دارای بیان اضافی را به قطعاتی خرد کردند و مقداری از آن را در بخش خاصی از DNA باکتری که مهاجمان ویروسی قبلی را به خاطر می‌آورد، قرار دادند.

قطعه‌ی ژنتیکی درج‌شده نشان‌دهنده‌ی یک بیت دیجیتال است. اگر سیگنال فروکتوز وجود نداشته باشد، باکتری قطعه‌ای تصادفی از DNA را ذخیره می‌کند که نشان‌دهنده‌ی صفر دیجیتالی است. سپس، توالی‌یابی DNA باکتری به‌صورت صفر یا یک نشان می‌دهد که آیا باکتری درمعرض فروکتوز قرار گرفته است.

اما ازآن‌جایی که این سیستم فقط می‌تواند چند بیت داده را در خود ذخیره کند، وانگ و همکارانش سیستم تشخیص فروکتوز را با سیستمی جایگزین کردند که می‌تواند رشته‌های طولانی‌تری از اطلاعات را رمزگذاری کند: یک ورودی الکترونیکی. آن‌ها مجموعه‌ای از ژن‌ها را وارد باکتری کردند که سلول را قادر می‌ساخت بیان پلاسمید را در پاسخ به ولتاژ الکتریکی افزایش دهد. مانند سیستم فروکتوز، افزایش در بیان موجب ذخیره‌شدن «یک» دیجیتالی در DNA باکتری می‌شد. پژوهشگران برای خواندن صفر و یک‌ها باکتری را تعیین توالی کردند.

وانگ و همکارانش با استفاده از رویکرد خود به‌طور الکترونیکی تا ۷۲ بیت داده را برای نوشتن پیام: «!Hello world» رمزگذاری کردند. آن‌ها نتایج پژوهش خود را در مجله‌ی Nature Chemical Biology گزارش کردند.

پژوهشگران همچنین نشان دادند که می‌توانند ای‌کولای حاوی پیام را به مخلوطی از میکروب‌های طبیعی خاک اضافه کنند و سپس مخلوط میکروب‌ها را تعیین توالی کنند تا پیام ذخیره‌شده خود را بازیابی کنند. وانگ می‌گوید هنوز روزهای نخست ذخیره‌سازی داده در ارگانیسم‌های زنده است. او می‌گوید: «قرار نیست که با سیستم‌های ذخیره کنونی رقابت کنیم.» پژوهشگران همچنین باید راه‌هایی پیدا کنند تا پیام آن‌ها هنگام جهش در زمان تکثیر باکتری تخریب نشود.