چه تغییراتی در ذخیرهسازی دادهها با استفاده از دیانای ممکن است به وجود آید؟
محققان دانشگاه ایالتی آریزونا (Arizona State University – ASU) در دو مطالعه جدید نشان دادهاند که «دیانای» (DNA) میتواند نه تنها به عنوان یک بستر فوقفشرده برای ذخیره حجم بالای دادهها کاربرد داشته باشد، بلکه به عنوان یک پایه نوین برای رمزگذاری و حفاظت از اطلاعات در مقیاس مولکولی نیز مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد میتواند سبب دگرگونی چشمگیر در سامانههای ذخیرهسازی و امنیت دیجیتال گردد.
از زمان ورود به عصر رایانه، دو چالش کلیدی همواره ذهن محققان را درگیر کرده است: اول اینکه چگونه میتوان حجم رو به افزایش دادههای دیجیتال را به طور کارآمد ذخیره کرد و دوم اینکه چگونه میتوان از دسترسیهای غیرمجاز به این اطلاعات جلوگیری نمود. اما اکنون گروهی از دانشمندان «مؤسسه بایودیزاین» در دانشگاه ایالتی آریزونا به همراه همکارانش پاسخی غیرمنتظره و الهامگرفته از طبیعت ارائه دادهاند: استفاده از مولکول حیات، یعنی دیانای، بهعنوان سکوی اطلاعاتی.
نتایج این تحقیقات که در نشریات «مواد کاربردی پیشرفته» (Advanced Functional Materials) و «ارتباطات طبیعت» (Nature Communications) به چاپ رسیده است، راهحلی زیستمحور به جای روشهای مبتنی بر سیلیکون پیشنهاد میکند. هائو یان، استاد پژوهش در دانشکده علوم مولکولی و مدیر مرکز طراحی مولکولی و زیستالگو در ASU، بیان داشته است که فناوری اطلاعات به مدت چند دهه بهطور انحصاری به سیلیکون وابسته بوده، اما حالا میتوان دیانای را بهعنوان مادهای برای ذخیره و محافظت از اطلاعات در نظر گرفت.
در مطالعه اول، تمرکز محققان بر روی ذخیرهسازی دادهها از طریق وضعیت فیزیکی دیانای بود، نه تنها به صورت توالی حروف ژنتیکی آن. دیانای به دلیل چگالی ذخیرهسازی عالی و پایداری شگفتانگیز خود، که نمونههایی از آن پس از حدود دو میلیون سال در رسوبات گرینلند شناسایی شدهاند، به عنوان گزینهای جذاب برای آرشیو طولانیمدت اطلاعات محسوب میشود.
محققان ساختارهای بسیار ریز دیانای را ایجاد کردهاند که همچون «حروف فیزیکی» یک الفبا عمل میکنند و هر یک از آنها بخشی از اطلاعات را شامل میشوند. زمانی که این ساختارها از یک حسگر نانومقیاس عبور میکنند، نرمافزارهای مبتنی بر یادگیری ماشین، سیگنالهای الکتریکی جزئی تولید شده را ثبت و تحلیل میکنند. سپس سیستم قادر است اطلاعات را با دقت بالا به واژهها و پیامهای قابل خواندن بدل کند.
این روش، در مقایسه با شیوههای معمول ذخیرهسازی دیانای که به توالییابی ژنتیکی کند و پرهزینه وابستهاند، بسیار سریعتر، ارزانتر و مقیاسپذیرتر است. چشمانداز آینده نشان میدهد که دیانای میتواند به یک رسانه فوقمتراکم، پایدار و ایمن برای نگهداری دادههای علمی، فرهنگی و حتی اسناد تاریخی تبدیل شود؛ این در حالی است که مصرف فضا و انرژی آن به حداقل ممکن کاهش مییابد.
اما نوآوریهای محققان صرفاً به ذخیرهسازی محدود نمیشود. در مطالعه دوم، آنها نشان دادهاند که نانوساختارهای دیانای میتوانند بهعنوان ابزاری برای رمزگذاری پیشرفته نیز به کار روند. در این تحقیق، ساختارهایی به نام «اوریگامی دیانای» طراحی شدهاند که الگوهای تاخوردهای از رشتههای دیانای هستند که اشکال دقیق دوبعدی و سهبعدی را پدید میآورند. در این رویکرد، اطلاعات به جای اینکه به صورت بیتهای ساده ذخیره شوند، در الگو و آرایش این ساختارهای نانومقیاس رمزگذاری میشوند.
به منظور خواندن دادههای رمزگذاریشده، محققان از نوعی میکروسکوپ با قدرت تفکیک بسیار بالا استفاده کردهاند که توانایی مشاهده دقیق ساختارهای منحصر به فرد دیانای را دارد. سپس الگوریتمهای یادگیری ماشین هزاران تصویر مولکولی را تجزیه و تحلیل کرده و الگوهای مشابه را گروهبندی میکنند تا پیام اصلی مجدداً بهدست آید. بدون چارچوب رمزگشایی مناسب، این الگوها عملاً فاقد معنی خواهند بود و همین ویژگی امنیتی درونی را فراهم میآورد.
این رویکرد قابلیت تولید تعداد زیادی کدهای مولکولی را به طرز قابل ملاحظهای افزایش میدهد و امکان رمزگشایی غیرمجاز را به طرز چشمگیری دشوارتر میکند. علاوه بر این، ذخیره اطلاعات در ساختارهای سهبعدی دیانای، سطحی جدید از پیچیدگی و امنیت را به هر «کلید مولکولی» اضافه مینماید.
بر اساس گزارش ستاد نانو، این دو پژوهش در مجموع نشان میدهد که دیانای میتواند به طور همزمان نقش رسانهای فشرده و سکوی امن برای مدیریت اطلاعات را ایفا کند. یکی از فناوریها بر خوانش سریع و الکترونیکی اطلاعات مولکولی تأکید دارد و دیگری از خود الگوهای مولکولی بهعنوان حاملان رمزگذاریشده بهره میبرد.
کاربردهای بالقوه این فناوری بسیار وسیع است؛ از آرشیو فوقفشرده دادههای علمی و پروندههای پزشکی گرفته تا محافظت از اطلاعات حساس در شرایطی که ابزار الکترونیکی متعارف کارایی خود را از دست میدهد، مثل دماهای بسیار بالا، محیطهای پرتوزا یا نگهداریهای چند دهساله. این نوآوری، همگرایی فزاینده زیستشناسی، علم مواد، محاسبات و الکترونیک را به نمایش گذاشته و نشان میدهد که شاید آینده ذخیرهسازی و امنیت اطلاعات در دل همان مولکولی نهفته باشد که رمز حیات را در خود دارد.
