ذخیره‌سازی داده‌ها با کمک دی‌ان‌ای!

به گزارش مجله خبری نگار/ایتنا،دانشمندان نشان داده‌اند که دی‌ان‌ای می‌تواند حجم عظیمی از داده‌ها را در فضایی بسیار کوچک ذخیره کند. آنها همچنین با استفاده از ساختار‌های نانویی دی‌ان‌ای، روشی تازه برای رمزنگاری امن اطلاعات ارائه داده‌اند. این فناوری ممکن است در آینده جایگزینی پایدار و فوق‌فشرده برای حافظه‌های رایج دیجیتال باشد

پژوهشگران دانشگاه ایالتی آریزونا (Arizona State University – ASU) در دو مطالعه تازه نشان داده‌اند که «دی‌ان‌ای» (DNA) می‌تواند نه‌تنها به‌عنوان رسانه‌ای فوق‌فشرده برای ذخیره حجم عظیم داده‌ها به‌کار رود، بلکه بستری نوین برای رمزنگاری و حفاظت از اطلاعات در مقیاس مولکولی فراهم آورد؛ دستاوردی که می‌تواند آینده سامانه‌های ذخیره‌سازی و امنیت دیجیتال را دگرگون کند.

از آغاز عصر رایانه تاکنون، دو چالش اساسی همواره ذهن پژوهشگران را به خود مشغول کرده است: نخست، چگونه می‌توان سیل فزاینده داده‌های دیجیتال را ذخیره کرد؛ و دوم، چگونه می‌توان این اطلاعات را از دسترسی‌های غیرمجاز مصون داشت. اکنون گروهی از دانشمندان «مؤسسه بایودیزاین» در دانشگاه ایالتی آریزونا به همراه همکاران خود، پاسخی غیرمنتظره، اما الهام‌گرفته از طبیعت ارائه کرده‌اند: بهره‌گیری از مولکول حیات، یعنی دی‌ان‌ای، به‌عنوان یک سکوی اطلاعاتی.

نتایج این پژوهش‌ها که در نشریات «مواد کاربردی پیشرفته» (Advanced Functional Materials) و «ارتباطات طبیعت» (Nature Communications) منتشر شده، جایگزینی زیست‌الهام برای راهکار‌های مبتنی بر سیلیکون پیشنهاد می‌کند. به گفته «هائو یان»، استاد ممتاز دانشکده علوم مولکولی و مدیر مرکز طراحی مولکولی و زیست‌الگو در ASU، فناوری اطلاعات دهه‌ها به سیلیکون وابسته بوده است، اما اکنون می‌توان دی‌ان‌ای را نه‌فقط ماده ژنتیکی، بلکه بستری برای ذخیره و صیانت از اطلاعات دانست.

در نخستین مطالعه، تمرکز پژوهشگران بر ذخیره‌سازی داده‌ها با استفاده از شکل فیزیکی دی‌ان‌ای بوده است، نه صرفاً توالی حروف ژنتیکی آن. دی‌ان‌ای به‌دلیل چگالی ذخیره‌سازی بی‌نظیر و پایداری شگفت‌انگیزش ــ که نمونه‌هایی از آن پس از حدود دو میلیون سال در رسوبات گرینلند بازیابی شده ــ گزینه‌ای جذاب برای آرشیو بلندمدت اطلاعات به‌شمار می‌رود.

دانشمندان ساختار‌های بسیار کوچک دی‌ان‌ای را طراحی کرده‌اند که همانند «حروف فیزیکی» یک الفبا عمل می‌کنند و هر یک حامل بخشی از اطلاعات هستند. هنگامی که این ساختار‌ها از درون یک حسگر نانومقیاس عبور می‌کنند، نرم‌افزار‌های مبتنی بر یادگیری ماشین، سیگنال‌های الکتریکی ظریف تولیدشده را ثبت و تحلیل می‌کنند. سپس سامانه قادر است داده‌ها را با دقت بالا به واژه‌ها و پیام‌های خوانا تبدیل کند.

این روش، در مقایسه با شیوه‌های متداول ذخیره‌سازی دی‌ان‌ای که به توالی‌یابی ژنتیکی کند و پرهزینه وابسته‌اند، سریع‌تر، کم‌هزینه‌تر و مقیاس‌پذیرتر است. چشم‌انداز پیش‌رو نشان می‌دهد که دی‌ان‌ای می‌تواند به رسانه‌ای فوق‌متراکم، بادوام و ایمن برای نگهداری داده‌های علمی، فرهنگی و حتی اسناد تاریخی بدل شود؛ آن هم با مصرف حداقلی فضا و انرژی.

اما نوآوری پژوهشگران به ذخیره‌سازی محدود نمی‌شود. در مطالعه دوم، آنها نشان داده‌اند که نانوساختار‌های دی‌ان‌ای می‌توانند به‌عنوان ابزاری برای رمزنگاری پیشرفته نیز به‌کار روند. در این پژوهش، ساختار‌های موسوم به «اوریگامی دی‌ان‌ای» طراحی شده‌اند؛ آرایش‌های تاخورده‌ای از رشته‌های دی‌ان‌ای که اشکال دقیق دوبعدی و سه‌بعدی ایجاد می‌کنند. در این رویکرد، اطلاعات نه به‌صورت بیت‌های ساده، بلکه در الگو و آرایش این ساختار‌های نانومقیاس رمزگذاری می‌شود.

برای خواندن این داده‌های رمزگذاری‌شده، پژوهشگران از نوعی میکروسکوپ با قدرت تفکیک بسیار بالا بهره برده‌اند که قادر است ساختار‌های منفرد دی‌ان‌ای را با دقت چشمگیر مشاهده کند. سپس الگوریتم‌های یادگیری ماشین هزاران تصویر مولکولی را تحلیل کرده و الگو‌های مشابه را گروه‌بندی می‌کنند تا پیام اصلی بازسازی شود. بدون چارچوب رمزگشایی صحیح، این الگو‌ها عملاً بی‌معنا خواهند بود و همین ویژگی، لایه‌ای ذاتی از امنیت فراهم می‌آورد.

این رویکرد، تعداد کد‌های مولکولی قابل تولید را به‌طرز چشمگیری افزایش می‌دهد و امکان رمزگشایی غیرمجاز را بسیار دشوارتر می‌کند. افزون بر آن، ذخیره اطلاعات در ساختار‌های سه‌بعدی دی‌ان‌ای، سطحی تازه از پیچیدگی و امنیت را به هر «کلید مولکولی» می‌افزاید.

به نقل از ستاد نانو، در مجموع، این دو پژوهش نشان می‌دهد که دی‌ان‌ای می‌تواند هم‌زمان نقش یک رسانه ذخیره‌سازی فشرده و سکوی امن مدیریت اطلاعات را ایفا کند. یکی از فناوری‌ها بر خوانش سریع و الکترونیکی اطلاعات مولکولی تأکید دارد و دیگری از خودِ الگو‌های مولکولی به‌عنوان حاملان رمزگذاری‌شده بهره می‌برد.

کاربرد‌های بالقوه این فناوری گسترده است؛ از آرشیو فوق‌فشرده داده‌های علمی و پرونده‌های پزشکی گرفته تا حفاظت از اطلاعات حساس در شرایطی که تجهیزات الکترونیکی متعارف کارایی خود را از دست می‌دهند، مانند دما‌های بسیار بالا، محیط‌های پرتوزا یا نگهداری‌های چندده‌ساله. این دستاورد، همگرایی فزاینده زیست‌شناسی، علم مواد، محاسبات و الکترونیک را به‌نمایش می‌گذارد و نشان می‌دهد که آینده ذخیره‌سازی و امنیت اطلاعات شاید در دل همان مولکولی نهفته باشد که راز حیات را در خود حمل می‌کند.