أظهر الباحثون في التخنيون ومركز هرتسليا متعدد التخصصات تحسنًا كبيرًا في كفاءة العملية المطلوبة لتخزين المعلومات الرقمية في الحمض النووي. وفي مقال نشر في مجلة Nature Biotechnology، أظهر الفريق تخزين المعلومات بكثافة تعادل تخزين أكثر من 10 بيتابايت (مليون غيغابايت) في جرام واحد من الحمض النووي مع تحسين عملية الكتابة بشكل كبير.
أظهر الباحثون في التخنيون ومركز هرتسليا متعدد التخصصات تحسنًا كبيرًا في كفاءة العملية المطلوبة لتخزين المعلومات الرقمية في الحمض النووي. في مقال نشر في مجلة الطبيعة للتكنولوجيا الحيوية وأظهرت المجموعة تخزين المعلومات بكثافة تعادل تخزين أكثر من 10 بيتابايت (مليون غيغابايت) في غرام واحد من الحمض النووي مع تحسين عملية الكتابة بشكل كبير. للتوضيح، هذه الكثافة تجعل من الممكن، نظريًا، تخزين جميع المعلومات المحفوظة على YouTube في حجم ملعقة صغيرة.
أدار البحث طالب البحث ليون إينابي من كلية علوم الكمبيوتر في التخنيون بتوجيه من البروفيسور زوهار ياشيني من كلية علوم الكمبيوتر في التخنيون ومدرسة إيفي أرازي لعلوم الكمبيوتر في مركز هرتسليا متعدد التخصصات. تم إجراء البحث بالتعاون مع مختبر البروفيسور روعي عميت من كلية التكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية في التخنيون.
لقد نمت كمية المعلومات الرقمية بسرعة هائلة منذ اختراع شركة IBM للقرص الصلب في الخمسينيات من القرن العشرين. لقد أصبح تخزين هذه المعلومات تحديًا كبيرًا ليس فقط في السياق التكنولوجي ولكن أيضًا في الجوانب الاقتصادية والبيئية، حيث أصبحت اليوم مزارع الخوادم - مستودعات المعلومات التي تخدمنا جميعًا - مسؤولة عن حوالي 50٪ من انبعاثات الكربون العالمية (وهو معدل مماثل للانبعاثات التراكمية لجميع طائرات العالم) وحوالي 2% من استهلاك العالم للكهرباء (أكثر من استهلاك الكهرباء في المملكة المتحدة بأكملها). على خلفية كل هذا، تم تطوير نهج تكنولوجي جديد وثوري في العقد الماضي: تخزين المعلومات في الحمض النووي. تسمح هذه التقنية بتصغير حجم المعلومات بشكل كبير، مما يؤدي إلى حفظ المعلومات لفترة أطول بكثير (ألف مرة) وبدون تكلفة طاقة أو تكلفة اقتصادية.
الفكرة الأساسية في تشفير المعلومات الموجودة على الحمض النووي هي كما يلي: جزيء الحمض النووي عبارة عن سلسلة مكونة من روابط تسمى النيوكليوتيدات. وتنقسم النيوكليوتيدات إلى أربعة أنواع مميزة بالأحرف A وC وG وT. لتخزين المعلومات في الحمض النووي، يجب ترجمة كل تسلسل ثنائي (يتكون من العلامتين 0 و 1) إلى تسلسل يتكون من هذه الأحرف. في الخطوة التالية، في عملية تسمى التوليف، يتم إنتاج جزيئات الحمض النووي الفعلية التي تمثل نفس التسلسلات. لقراءة المعلومات، مطلوب تسلسل جزيئات الحمض النووي. ينتج هذا التسلسل مخرجات تمثل تسلسل النيوكليوتيدات الذي يشكل كل جزيء في المدخلات، ويتم ترجمة المخرجات المذكورة إلى تسلسل ثنائي يمثل الرسالة الأصلية التي قمنا بتشفيرها. تسمح التقنيات الحديثة بتخليق الآلاف من سلاسل النيوكليوتيدات المختلفة في نفس الوقت.
يمثل تخزين الحمض النووي تحديًا تكنولوجيًا معقدًا للغاية. وفي مجال قراءة المعلومات (التسلسل) حدث تقدم هائل بعد ثورة الجينوم، ولكن لا تزال هناك صعوبات تكنولوجية كبيرة في كتابة المعلومات. ومن هنا تأتي أهمية الإنجاز الذي حققه الباحثون في التخنيون ومركز هرتسليا متعدد التخصصات والذي يسمح بما يلي: (1) زيادة عدد الحروف المستخدمة لتشفير المعلومات (أكثر من الأحرف الأربعة الأصلية)؛ (4) انخفاض كبير في جولات التوليف اللازمة لتخزين المعلومات في الحمض النووي؛ (2) تحسين آلية تصحيح الأخطاء في الكود.
كما ذكرنا، يتكون الحمض النووي الطبيعي من أربع وحدات بناء، وهي الأحرف الأربعة A وC وG وT. وقام فريق الباحثين بزيادة عدد الحروف للاستخدام الفعلي، بحيث يكون كل حرف جديد عبارة عن مزيج فريد من الحروف الأصلية. يشبه المفهوم إنتاج ألوان جديدة عن طريق مزج الألوان الأساسية بشكل فريد. تتيح زيادة عدد الحروف تشفير المزيد من المعلومات في كل موضع في تسلسل جزيئات الحمض النووي. وفقا للبروفيسور ياخيني، "في عمليات التوليف والتسلسل المستخدمة اليوم، هناك تكرار مدمج للمعلومات (التكرار)، لأن كل جزيء يتم إنتاجه بعدد كبير من النسخ وقراءته بعدد كبير من النسخ أثناء التسلسل. التكنولوجيا التي طورناها تستخدم هذا التكرار لزيادة العدد الفعال للأحرف أعلى بكثير من الأحرف الأربعة الأصلية، مما يسمح لنا بتشفير كل وحدة من المعلومات في دورات تركيب أقل.
تمكن الباحثون من تقليل عدد جولات التوليف المطلوبة لكل وحدة من المعلومات بنسبة 20%. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون أنه سيكون من الممكن تقليل عدد جولات التوليف بنسبة 75% في المستقبل دون بذل جهود تطوير كبيرة. وهذا يعني أن عملية التخزين ستكون أسرع وأقل تكلفة. "في هذا العمل، قمنا بتطبيق تشفير المعلومات بطريقة عملية مع كفاءة تركيب أكبر بعشرات بالمائة مقارنة بالتشفير التقليدي"، يوضح البروفيسور أميت. "تضمن البحث التطبيق الفعلي لطريقة الترميز الجديدة لتخزين كميات كبيرة من المعلومات عن جزيئات الحمض النووي وإعادة بنائها لاختبار العملية." في الواقع، يوجد على أحد الرفوف في مختبر البروفيسور أميت في التخنيون أنبوب اختبار صغير يحتوي على حوالي 10 نانوجرام (واحد من مليار من الجرام) من الحمض النووي، الذي يشفر آلاف النسخ من الكتاب المقدس في نسخة ثنائية اللغة.
طورت مجموعة البحث آلية متقدمة تجعل من الممكن التغلب على الأخطاء التي تعد جزءًا لا يتجزأ من عملية بيولوجية فيزيائية مثل تلك التي تحدث هنا. يتم استخدام جزء من تسلسل الحمض النووي للجزيئات التي تخزن المعلومات، والذي صممه ليون إينابي والبروفيسور ياشيني، في آلية تصحيح الخطأ المذكورة. وفقًا لليون إينابي، "بفضل استخدام رموز تصحيح الأخطاء، التي تم تكييفها مع الترميز الفريد الذي أنشأناه، تمكنا من إجراء ترميز فعال للغاية واستعادة المعلومات بنجاح. عند العمل في نظام يتكون من ملايين الأجزاء (الجزيئات)، تحدث حتى أحداث نادرة للغاية (واحد في المليون حدث)، مما قد يعطل القراءة. لقد سمح لنا الترميز الدقيق بالتغلب على هذه المشكلات."
ويشير الباحثون إلى أن "التكنولوجيا المقدمة في المقالة لديها القدرة على تحسين العمليات الإضافية في البيولوجيا التركيبية والتكنولوجيا الحيوية. ونعتقد أنه في السنوات المقبلة سنشهد زيادة كبيرة في استخدام الحمض النووي الاصطناعي في البحث والصناعة."
تم إنتاج الحمض النووي الاصطناعي الذي استخدمه الباحثون وصممته المجموعة من قبل شركة Twist Bioscience الأمريكية، التي توظف أيضًا مجموعة تطوير في تل أبيب، وتم تسلسله في مركز الجينوم في التخنيون. تم دعم البحث جزئيًا من خلال برنامج إطار عمل Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي. يحظى ليون إينابي بدعم من منحة آدامز المقدمة من أكاديمية العلوم الإسرائيلية. كما شاركت في الدراسة الدكتورة أورنا عطار والطالبة البحثية عنبال فاكانين.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
