شرکت مایکروسافت به‌دنبال آن است تا رسانه‌های ذخیره‌ساز مبتنی بر DNA را به زیرساخت‌های ابری خود وارد کند. اما این شرکت چگونه و چه زمانی به این مهم دست پیدا خواهد کرد. این پرسشی است که در این مقاله به آن پاسخ خواهیم داد.
داده‌ها، داده‌ها و باز هم داده‌ها. کافی است به اطراف خود بنگرید تا دستگاههای ریز و درشتی را پیدا کنید که پیوسته در حال تولید اطلاعات هستند. اگر چند سال قبل به شما می‌گفتیم دستگاههای اینترنت اشیای مرسوم حجم عظیمی از داده‌ها تولید می‌کنند، اکنون به شما می‌گوییم دستگاههای اینترنت اشیای صنعتی نیز به جمع تولیدکنندگان داده‌ها پیوسته‌اند. امروزه حتی یک کاربر خانگی نیز قادر است در کمتر از یک سال یک هارددیسک 2 ترابایتی را پر کند. حال تصور کنید سازمان‌های بزرگی همچون بانک‌ها و مؤسسات بیمه‌گر و درنهایت مراکز داده‌ها با چه حجم وحشتناکی از داده‌ها روبه‌رو هستند. شتاب روزافزون تولید داده‌ها شرکت‌های بزرگ عرصه فناوری و پژوهشگران را به فکر انداخته است که تا چه اندازه می‌توانند روی رسانه‌های ذخیره‌ساز معمول حساب باز کنند؟ بدون شک رسانه‌های ذخیره‌ساز فعلی در چند سال آینده با محدودیت فضای ذخیره‌سازی مواجه خواهند شد. همین موضوع باعث شده است تا پژوهشگران به‌سراغ ایده‌های ورای تصور بروند. ایده‌هایی که بر پایه زیست‌شناسی قادرند مشکل ذخیره‌سازی داده‌ها را حل کنند. همین موضوع شرکت‌های بزرگ عرصه فناوری را به فکر انداخته است تا به‌طور جدی روی این موضوع سرمایه‌گذاری‌های کلانی انجام دهند. ازجمله شرکت‌های بزرگی که به این حوزه وارد شده‌اند و سعی دارند پیشتاز دستیابی به چنین فناوری قدرتمندی باشند مایکروسافت است. این شرکت به‌دنبال آن است تا رسانه‌های ذخیره‌ساز مبتنی بر DNA را به زیرساخت‌های ابری خود وارد کند. اما این شرکت چگونه و چه زمانی به این مهم دست پیدا خواهد کرد. این پرسشی است که در این مقاله به آن پاسخ خواهیم داد.
تحقیقات پژوهشگران شرکت مایکروسافت در ارتباط با ذخیره‌سازی فیلم‌ها و اسناد روی DNA نشان می‌دهد این شرکت موفقیت‌های چشم‌گیری در این زمینه به دست آورده است. این شرکت موفق به طراحی و توسعه دستگاهی شده است که با اتکا بر زیست‌شناسی این توانایی را به دست آورده تا به‌جای درایوهای ذخیره‌ساز مورد استفاده قرار گیرد. مهندسان و معماران ارشد علوم کامپیوتر در بخش تحقیقات مایکروسافت در قالب یک برنامه‌ریزی کاملاً دقیق به‌دنبال آن هستند تا پایان همین دهه یک سیستم ذخیره‌ساز کاملاً ایمن مبتنی بر DNA را طراحی و عملیاتی کنند. سیستمی که قرار است در مرحله اول در یکی از مراکز داده‌های این شرکت به‌طور آزمایشی مورد استفاده قرار گیرد. داگ کارمین معمار ارشد بخش پژوهش‌های مایکروسافت می‌گوید: «هدف ما این است که در 3 سال آینده یک برند تجاری موفق را به ثبت برسانیم. برندی که قادر باشد DNA را به‌عنوان ذخیره‌ساز اطلاعات به کار ببرد و مهم‌تر از آن از این برند به‌صورت آزمایشی و در مقیاس تجاری حداقل در یکی از مراکز داده‌های مایکروسافت استفاده کنیم. این حداقل کارکردی است که برای این سیستم متصور شده‌ایم. دستگاهی که ما در حال طراحی آن هستیم، ابعادی در اندازه یک دستگاه زیراکس مدل 70 دارد.» در یک دهه گذشته پژوهشگران به‌طور جدی روی DNA متمرکز شده و به این حقیقت مهم اشراف پیدا کرده‌اند که DNA به‌شکلی کاملاً ایمن و مهم‌تر از آن بسیار کارآمد این پتانسیل را دارند تا به‌منظور ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار گیرند. 6 سال پیش (2011 میلادی) جورج چرچ پژوهشگر دانشگاه هاروارد برای نخستین بار ایده به‌کارگیری DNA در قالب یک رسانه ذخیره‌ساز را مطرح کرد. او موفق شد کتاب خود که مشتمل بر چند تصویر و یک برنامه جاوااسکریپت بود روی مولکول‌های DNA کدگذاری کند.
تجربه قبلی مایکروسافت در زمینه به‌کارگیری DNA موفقیت‌آمیز بوده است
سال گذشته میلادی گروهی از پژوهشگران مایکروسافت با همکاری دانشگاه واشنگتن موفق شدند در زمینه ثبت اطلاعات روی DNA رکورد جدیدی را به ثبت برسانند. آن‌ها موفق شدند 200 مگابایت داده را روی DNA ذخیره‌سازی کنند (شکل 1).
امسال نیز پژوهشگران این شرکت موفق شدند یک فیلم کلاسیک فرانسوی (1895)، یک ویروس کامپیوتری و یک کارت هدیه50 دلاری آمازون را با موفقیت روی DNA ذخیره‌سازی کنند. پژوهشگران بر این باورند که DNA ایده‌ال‌ترین راهکار به‌منظور ذخیره‌سازی حجم عظیمی از اطلاعات است. به‌واسطه آنکه مولکول فوق دقیقاً برای همین منظور ساخته شده است. DNA این توانایی را دارد تا همه اطلاعات مربوط به یک انسان را در فضایی بسیار کوچک در خود نگهداری کند. در حالی که شیوه ثبت و حفظ اطلاعات روی DNA مشابه با رویکردی است که ما امروزه در ارتباط با سخت‌افزارهای خود از آن استفاده می‌کنیم، با این حال تفاوتی وجود دارد. پژوهشگران به‌جای سر و کار داشتن با صفرها و یک‌ها، با چهار وضعیت A/G/C/T سر و کار دارند. در حالی که پژوهش‌های اولیه در این زمینه امیدبخش بوده‌اند، هنوز هم چالش‌هایی در ارتباط با به‌کارگیری عمومی این فناوری وجود دارد. در شرایطی که به‌لحاظ هزینه تعیین توالی DNA نسبت به سال‌های قبل ارزان‌تر شده است، اما هنوز هم مقرون به صرفه نیست. در نتیجه این امکان وجود ندارد تا در مقطع فعلی از این فناوری به‌منظور جایگزینی برای حافظه‌های فلش استفاده کنیم. برای دستیابی به قیمتی قابل قبول، شرکت‌های بزرگ باید گام‌های سازنده‌ای در این زمینه بردارند. در همین ارتباط شرکت ایلومینا اعلام کرده است که در کمتر از 10 سال دیگر هزینه تعیین توالی کلی ژنوم انسان را به قیمتی کمتر از 100 دلار تقلیل خواهد داد. هرچه تعاملات شرکت‌ها با یکدیگر بیشتر باشد و تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود، به همان نسبت شانس ما در دستیابی به ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA در آینده نزدیک بیشتر خواهد بود.
مایکروسافت تمایل دارد یکه‌تاز این میدان باشد
مایکروسافت درباره ایده‌ها و فناوری‌های خاص خود رویکردی کاملاً بلندپروازانه و تاحدی جسورانه دارد. این شرکت به‌دنبال آن است تا جایگزینی برای نوارگردان‌ها (Drive Tape) پیدا کند. نوارگردان‌ها یکی از رایج‌ترین فرمت‌هایی هستند که به‌منظور آرشیو اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. کارمن در این ارتباط گفته است: «امیدواریم برندی تجاری تحت عنوان Your Storage with DNA را طراحی کنیم.» این رویکرد مایکروسافت نشان می‌دهد، غول‌های بزرگ دنیای فناوری کاملاً مصمم هستند تا ایده ذخیره‌سازی ویدئو، عکس و دیگر اطلاعات ارزشمند روی مولکول‌هایی که سازنده ژن‌های ما هستند را به سرانجام برسانند.
چالش‌های مختلف ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA
ویکتور ژیرنف دانشمند ارشد شرکت Semiconductor Research Corporation در این ارتباط می‌گوید: «شرکت‌های عرصه فناوری و صنایع فعال در عرضه صنایع الکترونیکی در سراسر جهان به‌دنبال آن هستند تا ابعاد و اندازه کامپیوترها را به‌مراتب کوچک‌تر از آن چیزی که امروزه در حال استفاده از آن‌ها هستیم تبدیل کنند. با وجود این شرکت‌ها در زمینه کوچک کردن حافظه‌های فعلی به‌لحاظ فیزیکی با چالش‌هایی روبه‌رو هستند. در مقطع فعلی این امکان وجود ندارد تا ابعاد فیزیکی حافظه‌ها را کوچک‌تر از آن چیزی کرد که اکنون ساخته می‌شوند. اما DNA این پتانسیل را دارد تا حجم بسیار عظیمی از داده‌ها را در فضایی بسیار ناچیز ذخیره‌سازی کند. اگر در نظر داشته باشیم تمام فیلم‌هایی که تا به امروز ساخته شده‌اند روی DNA ذخیره‌سازی کنیم، به فضایی کمی بزرگ‌تر از یک حبه قند نیاز داریم. بله درست شنیده‌اید. DNA این پتانسیل را دارد تا داده‌ها را در یک تراکم باورنکردنی ذخیره‌سازی کند. DNA چگالی‌ترین ماده‌ای است که در تمام جهان هستی وجود داشته و این توانایی را دارد تا تمام اطلاعات جهان ما را در خود جای دهد.
این فرضیه درست منطبق با قوانین فیزیک است. اکنون که آگاه شدید DNA در زمینه ذخیره‌سازی اطلاعات چه توانایی‌هایی دارد، به‌خوبی عطش مفرط شرکت‌های بزرگ در زمینه دستیابی به چنین فناوری پیشرفته‌ای را درک می‌کنید. با توجه به حجم و گسترد‌گی اطلاعاتی که امروزه تولید می‌شوند و این رشد نمایی داده‌ها در چند سال آینده بیشتر نیز خواهد شد، در نتیجه کاملاً منطقی به نظر می‌رسد که شرکت‌ها به‌دنبال ذخیره‌سازهای مبتنی بر DNA باشند.» مایکروسافت در ماه جولای سال گذشته میلادی به‌طور عمومی اعلام کرد که با موفقیت توانسته است 200 مگابایت داده‌های صوتی و ویدئویی را در یک رشته DNA ذخیره‌سازی کند. به‌دنبال آن مقاله‌ای از سوی کارت اشتراوس از پژوهشگران ارشد مایکروسافت و لوئیس چزه از پژوهشگران علوم کامپیوتر دانشگاه واشینگتن در این ارتباط منتشر شد. مهم‌ترین مشکلی که در مقطع فعلی غول‌های فناوری با آن روبه‌رو هستند، طراحی حافظه‌های کاربردی مبتنی بر DNA است که به شکلی مؤثر و مهم‌تر از آن پایدار این توانایی را داشته باشند تا اطلاعات را در خود جای دهند و مهم‌تر از آن اطلاعات را از روی آن‌ها بخوانند. مشکل دوم به هزینه‌بر بودن این فناوری بازمی‌گردد. شما برای آنکه بتوانید کدهای دیجیتالی دودویی را به یک رشته DNA که از زنجیره‌ای از چهار نوع نوکلئونید A/B/C/D تشکیل شده تبدیل کنید، باید هزینه زیادی را صرف کنید. به‌واسطه آنکه سلسله فرآیندهای پیچیده شیمیایی که در سنتز DNA مورد استفاده قرار می‌گیرند کاملاً هزینه‌بر هستند. در آزمایشی که مایکروسافت در این ارتباط با موفقیت آن را به سرانجام رساند، از 13.448.372 رشته DNA منحصر به فرد استفاده کرد. برآورد شده است که مایکروسافت به‌منظور کامل کردن این پروژه و خرید مواد مورد نیاز آن از بازار آزاد چیزی در حدود 800 هزار دلار هزینه کرده است.
مهم‌ترین و شاخصترین ویژگی DNA در ارتباط با چگالی آن است. یک میلیمتر مکعب DNA قادر است 1,000,000,000,000,000,000 بایت اطلاعات را در
خود جای دهد
یانیو ارلیخ استاد دانشگاه کلمبیا که به‌تازگی مقاله‌ای در ارتباط با راهکار نوین ذخیره‌سازی داده‌ها روی DNA منتشر کرده در این ارتباط گفته است: «بزرگ‌ترین مشکلی که پیش روی ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA وجود دارد به قیمت تمام شده آن بازمی‌گردد که در حال حاضر مقرون به صرفه نیست. در نتیجه ما به این پرسش مهم می‌رسیم که آیا مایکروسافت در این زمینه موفق بوده و از چه راهکاری برای کاهش هزینه‌های این فرآیند استفاده کرده است؟ مایکروسافت تاکنون به این موضوع هیچ‌گونه اشاره‌ای نکرده است، اما به نظر می‌رسد این شرکت به راه حل قابل قبولی در این زمینه دست پیدا کرده است. شرکت‌ها عمدتاً در زمینه این راه حل‌ها تمایلی ندارند جزئیات را منتشر کنند، به‌واسطه آنکه همیشه پای مباحثی همچون جاسوسی صنعتی و مالکیت فکری در میان است.» مایکروسافت پیش‌تر اعلام کرده بود برای آنکه بتواند حافظه‌های مبتنی بر DNA را به‌لحاظ تجاری تولید کند، مجبور است قیمت نهایی آن را تا حد بسیار زیادی پایین آورده تا امکان خرید آن توجیه‌پذیر شود. بسیاری از کارشناسان گفته‌اند این صحبت‌های مایکروسافت هیچ‌گاه رنگ واقعیت به خود نخواهد دید. اما این شرکت امیدوار است به چنین رویکردی در این زمینه نائل شود. مسئله دیگری که در ارتباط با DNA وجود دارد به نحوه نوشتن داده‌های دیجیتال در قالب DNA بازمی‌گردد. کارمین در این ارتباط می‌گوید: «با توجه به آزمایشی که مایکروسافت به‌تازگی انجام داده و حجم داده‌هایی که موفق شده است با موفقیت روی DNA ذخیره‌سازی کند، حدس می‌زنم سرعت نوشتن نباید چیزی فراتر از 400 بایت در ثانیه باشد. حتی خود مایکروسافت نیز به این حقیقت اذعان دارد تا رسیدن به‌سرعتی قابل قبول همچون 100 مگابایت بر ثانیه راه درازی در پیش دارد.» در حالی که نوشتن چالش‌های خاص خود را دارد، اما در مقابل خواندن اطلاعات ذخیره شده روی DNA فرآیند ساده‌تری است(شکل 2).
برای خواندن اطلاعات از روی DNA به یک دستگاه سریع توالی‌یاب DNA نیاز است تا قادر باشد اطلاعات را درست مشابه با فرآیند خواندن اطلاعات از روی هارددیسک بخواند(شکل 3).
مایکروسافت بر این باور است که اگر سرعت خواندن داده‌ها را به دوبرابر افزایش دهد، می‌توان به‌منظور کاربردهای تجاری از آن استفاده کرد. با توجه به آنکه فرآیند بازنویسی داده‌ها در قالب DNA به‌‌کندی انجام می‌شود، در نتیجه کارشناسان بر این باورند در حالت اولیه این فناوری در شرایط خاص مورد استفاده قرار میگیرد. به طور مثال، اطلاعاتی که به‌لحاظ قانونی و حقوقی باید ذخیره‌سازی شوند و هیچ‌گاه نباید تغییری در آن‌ها رخ دهد و مهم‌تر از آن پاک شوند، ازجمله این موقعیتهای خاص هستند. همچنین، اطلاعات ضبط شده از سوی دوربینهای امنیتی و سوابق پزشکی نیز از اطلاعاتی هستند که نباید هیچ‌گاه از دست بروند. مایکروسافت در زمینه کار روی DNA با شرکت توئیست بیوسانیس که در سان‌فرانسیسکو مستقر است، قرارداد همکاری منعقد کرده است. اما توئیست بیوسانیس تنها شرکتی نیست که در زمینه DNA به‌طور جدی به فعالیت اشتغال دارد. از دیگر استارتآپهای شاخص و فعال در این زمینه می‌توان به DNAScript، Nuclera Nucleics، Evonetix، Molecular Assemblies، Catalog DNA، Helixworks و Genome Foundry اشاره کرد. استارتآپهایی که به آن‌ها اشاره شد، به‌دنبال آن هستند تا رویکرد ساخت DNA را دستخوش تغییر سازند. به عبارت دیگر، بتوانند از طریق آنزیمها DNA را به شکلی متفاوت از آن چیزی که بدن ما تولید میکند ایجاد کنند. جین بولوت سرپرست تیم تحقیقاتی شرکت تکنی‌کالر در این ارتباط می‌گوید: «دانشگاه هاروارد روی پژوهشی که ما در حال انجام آن هستیم سرمایهگذاری کرده است. حتی جورج چرچ کارشناس ژنومیک این دانشگاه نیز در این زمینه به نتایح امیدبخشی دست پیدا کرده است. بدون شک تا قبل از پایان سال 2017 به موفقیتهایی در این زمینه نائل خواهیم شد.» در همین ارتباط شرکت تکنی‌کالر با استودیوهای بزرگ فیلمسازی در حال مذاکره است.
شکل 3- ردیفی از دستگاههای تعیین توالی DNA
متأسفانه حجم قابل توجهی از فیلمهای تولید شده از سوی این استودیوها که تاریخ ساخت آن‌ها به قبل از 1951 بازمی‌گردد و روی نوارهای سلولوئیدی ذخیره شده بودند، به طور کامل از میان رفتهاند. همچنین، فرآیند نگهداری از آرشیو حلقه فیلمهای موجود نیز کاملاً هزینه‌بر بوده و مهم‌تر از آن به مکان بزرگی برای نگهداری آن‌ها نیاز است. اما برای آنکه بتوان بر دو مشکل فوق چیره شد، باید از فرآیند ذخیره‌سازی اطلاعات روی DNA استفاده شود. این تکنیک برای استودیوها دو مزیت بزرگ دارد. اول آنکه DNA از عمر بالایی برخوردار است و دوم آنکه فضای کمی اشغال میکند. شرکت ژیرنف نیز از سال 2013 میلادی فرآیند پژوهش روی تجاریسازی مفهوم ذخیره‌سازی اطلاعات را روی بستر DNA آغاز کرد. شرکتی که امروزه نامآوران بزرگ عرضه فناوری همچون مایکروسافت، اینتل و… از مشتریان بالقوه این شرکت هستند.
ویکتور ژیرنف بنیانگذار این شرکت در این ارتباط گفته است: «زمانی که روی این فناوری متمرکز شدیم، کارشناسان تجهیزات ذخیره‌ساز اطلاعات که عمدتاً با مواد نیمه‌رسانا همچون سیلیکون کار می‌کنند، بر این باور بودند که DNA به‌مانند بافت بدن ممکن است دستخوش تغییر و خرابی شود. در نتیجه یک گزینه به‌شدت ناپایدار برای ذخیره‌سازی اطلاعات به شمار میرود. در حالی که واقعیت این است که DNA از عمری هزار مرتبه بیشتر از دستگاههای سیلیکونی برخوردار است. این مولکول به‌شدت پایدار است. برای اثبات این حرف فرآیند بازیابی مولکول‌ها از استخوان‌های ماموتهایی را مشاهده کنید که هزاران سال پیش مردهاند. اما مهم‌ترین و شاخصترین ویژگی DNA در ارتباط با چگالی آن است. یک میلیمتر مکعب DNA قادر است 1,000,000,000,000,000,000 بایت اطلاعات را در خود جای دهد.
ما در عصری زندگی می‌کنیم که همه چیز به‌سمت کوچک‌تر شدن سوق پیدا کرده است. اگر یک فلاپیدیسک قدیمی در اختیار دارید و اکنون در نظر داشته باشید محتوای آن را مشاهده کنید، درست به همان اندازهای که در خواندن دستنوشتههای باستانی هیروگلیف با مشکل روبه‌رو خواهید شد، در خواندن فلاپیدیسک خود نیز مشکل خواهید داشت. این در حالی است که برای بازیابی و خواندن دومرتبه اطلاعاتی که روی DNA قرار دارند نه تنها در آینده نزدیک، بلکه در آینده دور نیز هیچ‌گاه با چنین مشکلی روبه‌رو نخواهید شد.»
