• July 27, 2021

ตู้เก็บข้อมูลมีชีวิต

ตู้เก็บข้อมูลมีชีวิต

TECH&SCI: ‘ ตู้เก็บข้อมูลมีชีวิต ’
เมื่อนักวิทย์เปลี่ยนดีเอ็นเอให้เป็นฮาร์ดดิสก์เก็บข้อมูล
.
คุณคิดว่าระหว่างฮาร์ดดิสก์ในคอมพิวเตอร์ที่บ้านกับสารเคมีในสมองของคุณ อะไรเก็บข้อมูลได้เยอะกว่ากัน?
.
คำถามนี้อาจจะตอบยากสักหน่อย เพราะบางทีสมองมนุษย์เราก็ซับซ้อนขนาดที่ว่าอาจจะเอาประโยคในหนังสือนิทานที่เคยอ่านสมัยเด็กออกมาเขียนใหม่ให้ถูกต้องเป๊ะๆ ได้ แต่ในทางกลับกันก็อาจจะลืมไปแล้วว่า ตอนเช้านี้กินอะไรรองท้องก่อนไปทำงาน
.
อย่างไรก็ตาม การประมาณด้วยจำนวนเซลล์ประสาทในสมองกับโครงข่ายความจำก็สามารถคาดเดาได้ว่าสมองมนุษย์อาจจะเก็บข้อมูลได้ถึง 2.5 petabytes หรือราวๆ 300 ล้านชั่วโมงหากคุณบันทึกวิดีโอเทปจากทีวี
.
งานวิจัยเพื่อศึกษาระบบการรับรู้ จดจำ และประมวลผลของสมอง ยังคงดำเนินไปอย่างต่อเนื่อง
เช่นเดียวกับความต้องการเก็บข้อมูลที่โลกได้สร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องแบบก้าวกระโดดนับตั้งแต่อินเทอร์เน็ตได้ถือกำเนิดขึ้น และแน่นอนว่าเราจะเผชิญกับปัญหาพื้นที่เก็บข้อมูลไม่พอในอนาคต เช่นเดียวกับการขาดแคลนทรัพยากรอื่นๆ จนเกิดเป็นประเด็นในการวิจัยค้นคว้าด้านหนึ่งในยุคดิจิตอลนี้
.
หลายทศวรรษที่ผ่านมา มีการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลอยู่มากมาย แต่ก็มีปัญหาร่วมกันอยู่ข้อหนึ่งคือเทคโนโลยีที่ใช้ในการบันทึกข้อมูล และการอ่านข้อมูล มักจะมีความจำเพาะกับเทคโนโลยีนั้นๆ หากจะหาระบบจัดเก็บข้อมูลสักอย่างที่จะไม่มีวันล้าหลัง ก็จะต้องเป็นระบบที่สามารถประยุกต์ใช้กับเทคโนโลยีการบันทึกและอ่านข้อมูลในอนาคตได้ต่อไปเรื่อยๆ
.
ถ้าถามว่าสิ่งนั้นคืออะไร สิ่งหนึ่งที่จะคงอยู่กับมนุษยชาติไปจนกว่าจะสูญพันธุ์ก็คงหนีไม่พ้น ‘สารพันธุกรรม’
ที่มีลักษณะเป็นเกลียวโซ่สายยาวอย่าง DNA (Deoxyribonucleic acid) ที่เทคโนโลยีทั้งการสังเคราะห์และวิเคราะห์พัฒนาแบบก้าวกระโดดมาคู่เคียงกับวงการดิจิตอล
.
คุณสมบัติสำคัญของ DNA คือถูกใช้เป็นฮาร์ดดิสก์ชีวภาพมาตลอดหลายพันล้านปีที่ผ่านมา
มีความเสถียรสูง และมีระบบการคัดลอก ถอดรหัส และแปลผลไปเป็นฟังก์ชันอื่นๆ มากมายในสิ่งมีชีวิต
.
โดยการจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบสาย DNA จะมีรหัสอยู่ถึง 4 แบบ (A, T, C และ G)
ซึ่งเก็บข้อมูลได้หลากหลายกว่าการเข้ารหัสแบบไบนารี (binary) หรือด้วยเลขฐานสอง ที่เก็บข้อมูลในรูปของเลข 0 และ 1 ในระบบปัจจุบัน
.
หากเปรียบเทียบง่ายๆ ก็คือหากต้องการระบบบันทึกข้อมูลอักขระภาษาไทย จะต้องใช้เลขฐานสองทั้งหมด 7 หลัก
เพื่อให้มีการจัดเรียง 0 และ 1 ต่างกัน 128 รูปแบบ เพื่อครอบคลุมสัญลักษณ์ทั้ง 87 ตัวในภาษาไทย
.
ในขณะที่หากใช้การเข้ารหัสของ DNA จะใช้เพียงแค่ 4 หลักเพื่อให้ได้การจัดเรียงที่ต่างกันถึง 256 แบบ
เมื่อนำมาประกอบกับความหนาแน่นของข้อมูลต่อขนาดของ DNA แล้ว
การจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบของ DNA จึงมีศักยภาพมากพอโดยไม่ต้องสงสัย เพราะเพียงชิ้นส่วน DNA เล็กน้อยที่ซ่อนอยู่ในสเปิร์ม ก็มากพอที่จะถูกถอดรหัสออกมาเป็นสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนอย่างมนุษย์ได้
.
เทียบให้เห็นภาพก็คือ หากต้องการนำเอาข้อมูลทั้งหมดที่มีการเก็บไว้ในโลกมาเก็บในรูปแบบของ DNA ก็อาจจะใช้พื้นที่เพียงแค่ตู้คอนเทนเนอร์ไม่กี่ตู้เท่านั้น
.
อย่างไรก็ตาม การนำเอา DNA มาเป็นวัสดุในการเก็บข้อมูลเพิ่งจะมาเป็นจริงได้ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมานี้เอง
เมื่อมีการนำเอามาเก็บข้อมูลที่ซับซ้อนขึ้นอย่างภาพเคลื่อนไหว
ไปจนถึงเพลงและวิดีโอที่มีความคมชัดสูงจนถึงขนาดข้อมูล 200 MB (เก็บได้มากกว่า floppy disk แล้ว!!!)
.
สาเหตุสำคัญที่การเก็บข้อมูลด้วย DNA นี้พัฒนาไปได้ช้าก็เพราะประสิทธิภาพและราคาในการสังเคราะห์
และวิเคราะห์ DNA ที่เพิ่งพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา
และยังมีแนวโน้มที่ต้องพัฒนาต่อไปเรื่อยๆ ทั้งด้านการสังเคราะห์ (เขียน) และวิเคราะห์ (อ่าน)
ซึ่งเทคโนโลยีการอ่านและเขียน DNA นี้เอง จะเป็นหนึ่งในตัวเร่งให้งานวิจัยด้าน DNA Storage พัฒนาไปได้เร็วขึ้น
.
นอกจากการพัฒนาเทคโนโลยีการเขียนและอ่าน DNA แล้ว การออกแบบโครงสร้างของข้อมูล
ก็เป็นอีกประเด็นหนึ่งที่ช่วยให้การใช้ DNA แทน Hard disk ใกล้ความจริงขึ้นมาอีกก้าว
ด้วยข้อจำกัดของการสังเคราะห์ DNA ในปัจจุบันที่จะมีความแม่นยำลดลงเรื่อยๆ เมื่อสายโซ่ DNA ยาวขึ้น (เกิน 200-300 หลัก)
จึงเกิดความกังวลว่าการเข้ารหัสจะเกิดความผิดพลาดขึ้นมา
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยจาก University of Washington จึงได้นำเอาหลักการตัดแบ่งข้อมูลเป็นชิ้นเล็กๆ (zipping)
มาประยุกต์ใช้ร่วมกับการแบ่งแฟ้มข้อมูล (folder) ด้วยการใช้รหัส DNA ลำดับแรกๆ เป็นบาร์โคดในการจัดแฟ้ม เพื่อให้สามารถเลือกอ่านข้อมูลที่ต้องการได้สะดวกและแม่นยำขึ้น
.
อีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจคือรูปแบบในการเก็บข้อมูล DNA เหล่านี้ เทคโนโลยีในปัจจุบันมักนิยมเก็บ DNA ในหลอดทดลอง
(in vitro) ซึ่งน่าจะมีความคงรูปได้ยาวนานนับล้านปีหากอยู่ในสภาวะที่เหมาะสม
แต่หากมีปัจจัยภายนอกเช่น แสงแดดหรืออุณหภูมิสูงๆ ก็จะส่งผลให้ DNA เหล่านี้เสื่อมสภาพได้เร็วขึ้นมาก
.
หนึ่งในวิธีที่จะช่วยให้ DNA คงอยู่ได้นับพันล้านปี
และได้รับการพิสูจน์แล้วตามธรรมชาติก็คือการใช้สิ่งมีชีวิตดูแลข้อมูล DNA เหล่านี้
(in vivo) ให้เหมือนกับเป็นสารพันธุกรรมของตัวมันเอง เพราะนอกจากจะมีกระบวนการที่ใช้ปกป้อง DNA จากอันตรายภายนอกแล้ว ยังมีกระบวนการซ่อมแซมให้มันกลับไปเหมือนเดิมอยู่อีกด้วย
.
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีในการตัดต่อ DNA สังเคราะห์ปริมาณมากๆ เข้าไปในสิ่งมีชีวิตนั้น ยังมีข้อจำกัดอยู่มาก
แต่ด้วยเทคโนโลยี CRISPR (Nobel Prize in Chemistry 2020)
ที่ช่วยให้การตัดต่อยีนง่ายขึ้นและถูกลงก็ถูกนำมาประยุกต์เป็นระบบเก็บข้อมูลในรูปแบบของสิ่งมีชีวิตขึ้นมา
ด้วยกระบวนการ CRISPR ระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรียที่สามารถจัดเก็บชิ้นส่วน DNA แปลกปลอมเอาไว้
เพื่อใช้เป็นแม่แบบในการเลือกกำจัด DNA แปลกปลอมเหล่านั้นในอนาคต
ทีมวิจัยจาก Columbia University จึงแทรกแซงกระบวนการดังกล่าวด้วยการป้อน DNA แปลกปลอมเข้าไปเสียเอง เพื่อเป็นทางเลือกหนึ่งในการจัดเก็บข้อมูลในสิ่งมีชีวิต
.
นอกจากนี้ยังมีการยกระดับกระบวนการเก็บข้อมูลไปอีกขั้น โดยการใช้หลักการทางเคมีไฟฟ้า
มาบูรณาการเข้ากับการตอบสนองทางชีวภาพของแบคทีเรียที่ออกแบบขึ้นมาจนสามารถทำให้กระบวนการ CRISPR
นี้ตอบสนองต่อศักย์ไฟฟ้า (voltage) ที่กระตุ้นไปที่แบคทีเรียได้ จึงนับเป็นตัวอย่างชิ้นแรกๆ
ของการเปลี่ยนข้อมูลเชิงดิจิตอลในรูปแบบของศักย์ไฟฟ้า
ให้กลายเป็นข้อมูลทางชีวภาพในรูปแบบของ DNA ที่ถูกเติมเข้าไปแบคทีเรียดังกล่าว
ถึงแม้ว่าข้อมูลที่บันทึกลงไปจะยังมีขนาดเล็กมาก (72 bits) แต่ก็นับเป็นก้าวแรกๆ ของมนุษย์ในการสร้างกล่องเก็บข้อมูลมีชีวิตขึ้นมาได้
.
หากสักวันหนึ่งเราต้องขนข้อมูลปริมาณมากผ่านอวกาศที่มีความเข้มข้นของรังสีสูง เราอาจจะเห็นหลอดบรรจุเชื้อแบคทีเรียแทน thumb drive บรรจุข้อมูลปริมาณมหาศาลของมนุษยชาติส่งไปเก็บรักษาไว้ที่เมืองต้นแบบบนดาวอังคารก็เป็นได้
.
วงการชีววิทยาและวิทยาการข้อมูลได้เชื่อมเข้าหากันในกลุ่มงานวิจัยที่เรียกว่า Synthetic Biology และเริ่มมีบทบาทขึ้นมาในหลายมหาวิทยาลัยในประเทศไทย
.
ถึงเวลานี้เป้าหมายจะอยู่ไกลไม่แพ้ดวงจันทร์ แต่ถ้าเราพยายามไขว่คว้าไปหามัน สักวันประเทศไทยก็คงจะได้ทำอะไรคูลๆ ขึ้นมาแข่งกับชาวโลกได้แน่นอน ตู้เก็บข้อมูลมีชีวิต .

สำหรับใครที่ไม่อยากพลาด รีวิวตู้เก็บข้อมูลมีชีวิต น่าดูแบบนี้ สามารถติดตามได้ที่ >> burundi ขอบคุณที่รับชม .

Leave a Reply

Your email address will not be published.