ورقة مايكل فاراداي المنوية مخزنة رقميا في الأصباغ الفلورية

Les disques optiques, les clés USB et les disques durs magnétiques ne peuvent stocker des informations numériques que pendant quelques décennies, et leur maintenance a tendance à nécessiter beaucoup d’énergie, ce qui rend ces méthodes moins qu’idéales pour le stockage de données à امد طويل. لذلك نظر الباحثون في استخدام الجزيئات كبدائل ، ولا سيما في تخزين بيانات الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب تمثل تحدياتها الخاصة ، بما في ذلك ارتفاع تكاليف التوليف ومعدلات القراءة والكتابة البطيئة.

الآن ، اكتشف علماء جامعة هارفارد كيفية استخدام الأصباغ الفلورية كبتات لتخزين البيانات أرخص وأسرع ، وفقًا لـ ورقة جديدة نشرت في مجلة ACS Central Science. اختبر الباحثون طريقتهم من خلال تخزين أحد علماء الفيزياء في القرن التاسع عشر مايكل فاراديأوراق أساسية حول الكهرومغناطيسية والكيمياء ، بالإضافة إلى صورة JPEG بواسطة فاراداي.

“يمكن أن توفر هذه الطريقة الوصول إلى تخزين البيانات الأرشيفية بتكلفة منخفضة” ، قال المؤلف المشارك أميت A. Nagarkar، الذي أجرى البحث كزميل ما بعد الدكتوراه في مختبر هارفارد لجورج وايتسايدز. “[It] يوفر الوصول إلى تخزين البيانات على المدى الطويل باستخدام التقنيات التجارية الحالية: الطباعة النافثة للحبر والفحص المجهري الفلوري. يعمل Nagarkar الآن مع شركة ناشئة تريد تسويق الطريقة.

هناك أسباب وجيهة لفكرة استخدام الحمض النووي لتخزين البيانات. كما لدينا المذكور سابقايحتوي الحمض النووي على أربع كتل بناء كيميائية – الأدينين (A) ، الثايمين (T) ، الجوانين (G) ، والسيتوزين (C) – والتي تشكل نوعًا واحدًا من الكود. يمكن تخزين المعلومات في الحمض النووي عن طريق تحويل البيانات من الكود الثنائي إلى كود أساسي 4 وتخصيصه بأحد الأحرف الأربعة. يحتوي الحمض النووي على كثافة بيانات أعلى بكثير من أنظمة التخزين التقليدية. غرام واحد فقط يمكن أن تمثل ما يقرب من مليار تيرابايت (1 زيتابايت) من البيانات. وهو وسيط قوي: يمكن الاحتفاظ بالبيانات المخزنة لفترات طويلة أو عقود أو حتى قرون.

حقق تخزين بيانات الحمض النووي تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة ، مما أدى إلى بعض التقلبات الابتكارية والانعطافات على الطريقة الأساسية. على سبيل المثال ، قبل عامين ، علماء ستانفورد بنجاح صنع نسخة مطبوعة ثلاثية الأبعاد من Stanford Rabbit – نموذج اختبار شائع في رسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد – الذي قام بتخزين تعليمات الطباعة لإعادة إنتاج الأرنب. يحمل الأرنب حوالي 100 كيلو بايت من البيانات ، وذلك بفضل إضافة حبيبات نانوية تحتوي على الحمض النووي إلى البلاستيك المستخدم في طباعته ثلاثية الأبعاد.

لكن استخدام الحمض النووي يمثل أيضًا تحديات مروعة. على سبيل المثال ، عادةً ما يستغرق تخزين واسترجاع بيانات الحمض النووي وقتًا طويلاً ، مع مراعاة كل التسلسل المطلوب. ولا يزال أمام قدرتنا على تخليق الحمض النووي طريقًا طويلاً لنقطعه قبل أن يصبح وسيلة عملية لتخزين البيانات. لذلك ، اكتشف علماء آخرون إمكانية استخدام البوليمرات غير البيولوجية لتخزين البيانات الجزيئية ، عن طريق فك (أو قراءة) المعلومات المخزنة عن طريق تسلسل البوليمرات باستخدام مقياس الطيف الكتلي الترادفي. ومع ذلك ، فإن تصنيع وتنقية البوليمرات الاصطناعية عملية مكلفة ومعقدة وتستغرق وقتا طويلا.

في عام 2019 ، مختبر وايتسايد أظهر بنجاح تخزين المعلومات في خليط من المعلومات المتاحة تجاريًا قليل الببتيدات على سطح معدني ، دون الحاجة إلى تقنيات تخليق طويلة ومكلفة. استخدم المعمل مطياف الكتلة لتمييز الجزيئات بالوزن الجزيئي من أجل قراءة المعلومات المخزنة. ولكن لا تزال هناك بعض المشكلات ، بما في ذلك أن المعلومات تم إتلافها أثناء القراءة. بالإضافة إلى ذلك ، كانت عملية القراءة بطيئة (10 بت في الثانية) وأثبت تقليل الحجم أنه يمثل مشكلة ، حيث أدى تقليل حجم نقطة الليزر إلى زيادة الضوضاء في البيانات.

حتى Nagarkar وآخرون. قررت دراسة الجزيئات التي يمكن تمييزها بصريًا بدلاً من الوزن الجزيئي. على وجه التحديد ، اختاروا سبعة أصباغ فلورية متوفرة تجارياً بألوان مختلفة. “لتدوين” المعلومات ، استخدم الفريق طابعة نافثة للحبر لإيداع محاليل صبغات الفلورسنت الممزوجة في ركيزة إيبوكسية تحتوي على مجموعات أمينية متفاعلة معينة. يشكل التفاعل اللاحق روابط أميد مستقرة ، مما يؤدي إلى قفل المعلومات بشكل فعال في مكانها.