Natural Science ดีเอ็นเอ – ฮาร์ดไดรฟ์แห่งอนาคต จากไมโครวีนัสถึงไมโครซอฟท์ : โดย ดร.ภาคภูมิ ทรัพย์สุนทร

วันที่ 22 เมษายน 2565 - 13:00 น.

ทุกครั้งที่เราส่งอีเมล ลงอินสตาแกรม เขียนทวิตเตอร์ อัพติ๊กต๊อก สั่งของ โอนเงิน เทรดคริปโต ฯลฯ เราสร้างข้อมูลดิจิตอลเก็บไว้บนคลาว์ดบนเซิร์ฟเวอร์ซักสองสามแห่งที่กระจายอยู่ทั่วโลก

ในปี 2020 ทั้งโลกมีข้อมูลดิจิตอลเกิดขึ้นมาใหม่เกือบ 60 ZB (1 ZB = หนึ่งล้านล้านกิกะไบต์) ปริมาณข้อมูลดิจิตอลที่มนุษย์สร้างใหม่ต่อปีเพิ่มขึ้นเรื่อยๆแบบก้าวกระโดดปีละกว่า 50% ด้วยอัตรานี้ภายในร้อยกว่าปีปริมาณบิตของข้อมูลทั้งหมดจะมากกว่าจำนวนอะตอมทั้งโลกนี้รวมกัน และพลังงานที่ต้องใช้ดูแลเซิร์ฟเวอร์จะมากกว่าพลังงานที่ทั้งโลกใช้อยู่ตอนนี้

เราต้องการวิธีการเก็บข้อมูลแบบใหม่ก่อน “หายนะข้อมูลล้นโลก” (information catastrophe) จะมาถึง!

ข้อมูลทุกอย่างทั้งภาพ เสียง ตัวหนังสือ วิดีโอ ซอฟต์แวร์ ฯลฯ สามารถถูกแปลงเป็นไฟล์ดิจิตอลที่ประกอบด้วยเลขฐานสอง 0 และ 1 สลับสับเปลี่ยนกัน ชุดของเลขฐานพวกนี้แทนของอักษร เลข ระดับความสูงต่ำของเสียงในเพลง ค่าความเข้มสีแต่ละพิกเซลในรูปภาพ ฯลฯ คอมพิวเตอร์ที่เราใช้บันทึกเลขฐานสองพวกนี้ในรูปแบบของการเรียงตัวของแม่เหล็กขนาดจิ๋วบนฮาร์ดดิสก์ ทิศทางของแม่เล็กขนาดจิ๋วแต่ละอันแทนค่าเลข 0 และ 1

ดีเอ็นเอเป็นโพลิเมอร์สายยาวทำหน้าที่เป็นสารพันธุกรรมในทุกเซลล์สิ่งมีชีวิตบนโลกนี้ โมเลกุลดีเอ็นเอประกอบด้วยหน่วยย่อยเป็นลำดับเบสสี่ชนิด A, T, G, C สลับสับเปลี่ยนกัน ดังนั้นดีเอ็นเอก็เปรียบเสมือนเทปบันทึกข้อมูลตามธรรมชาติที่ใช้ระบบเลขฐานสี่

ย้อนไปในยุค 1960s หลังการค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอไม่นานนัก โนเบิร์ต ไวเนอร์ (Nobert Weiner) หนึ่งในนักวิจัยแนวหน้าด้านไซเบอร์เนติกและปัญญาประดิษฐ์ยุคนั้นทำนายไว้ว่าคอมพิวเตอร์ในอนาคตที่สามารถทำงานซับซ้อนและเฉลียวฉลาดเกินมนุษย์นั้นจะต้องมีหน่วยความจำสมรรถนะสูงที่ขนาดเล็กกว่าที่เป็นอยู่ลงมากๆ และกลไกการบันทึกความจำด้วยดีเอ็นเอแบบที่สิ่งมีชีวิตทั้งหลายใช้อยู่ก็น่าจะตอบโจทย์ตรงนี้ได้

ดีเอ็นเอมีคุณสมบัติน่าสนใจหลายอย่างสำหรับการเป็นวัสดุเก็บสำหรับเก็บข้อมูลระยะยาว ดีเอ็นเอมีความหนาแน่นการบรรจุข้อมูลต่อมวลสูงกว่าฮาร์ดดิสก์ที่ดีที่สุดกว่าล้านเท่า ดีเอ็นเอเพียงหนึ่งตันปริมาตรราวๆ ตู้เย็นหนึ่งตู้สามารถบรรจุข้อมูลที่มีทั้งหมดในโลกตอนนี้ได้ ดีเอ็นเอมีความคงทนสูงและต้องการการดูแลรักษาน้อยมาก ในที่แห้งและเย็น ดีเอ็นเอคงสภาพอยู่ได้เป็นล้านปีขณะที่ฮาร์ดดิสก์ธรรมดาจะเสื่อมไปในไม่กี่สิบปีเท่านั้น นอกจากนี้การที่ดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรมในทุกสิ่งมีชีวิตทำให้เทคโนโลยีดีเอ็นเอแทบไม่มีทางล้าสมัย เทคโนโลยีเก็บข้อมูลอื่นๆ อาจเป็นที่นิยมชั่วครั้งคราวพอเลิกใช้กันแล้วก็สาบสูญไปพร้อมข้อมูลในนั้นเหมือนเล่นแผ่นเสียง วิดีโอเทปหรือดีวีดีที่หาเครื่องอ่าน/เขียนข้อมูลแทบไม่ได้แล้ว ในทางตรงข้ามเทคโนโลยีการอ่านลำดับเบสและสังเคราะห์ดีเอ็นเอจะยังคงอยู่และพัฒนาต่อไปอีกนานแสนนานตราบใดที่สิ่งมีชีวิตในโลกนี้รวมทั้งมนุษย์ยังใช้ดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม และเทคโนโลยีด้านดีเอ็นเอยังคงจำเป็นต่องานไบโอเทค การแพทย์ การเกษตร ฯลฯ

ระบบบันทึกข้อมูลดิจิตอลลงดีเอ็นเอประกอบด้วย 1. ระบบเข้ารหัส (encoding) แปลงไฟล์ข้อมูลดิจิตอลจากเลขฐานสอง (เลข 0, 1) ให้เป็นเลขฐานสี่ (ลำดับเบส A, T, G, C), 2. ระบบ “เขียน” ด้วยการสังเคราะห์โมเลกุลดีเอ็นเอ (DNA synthesis) ขึ้นมาตามลำดับเบสนั้น, 3. ระบบ “เก็บ” ชิ้นดีเอ็นเอบันทึกไว้ในที่ปลอดภัย, 4. ระบบคัดแยกเอาดีเอ็นเอเฉพาะส่วนที่ต้องการอ่านข้อมูลออกมา, 5. ระบบ “อ่าน” ลำดับเบสออกมาจากโมเลกุลดีเอ็นเอ (DNA sequencing), 6. ระบบแปลงข้อมูลลำดับเบสดีเอ็นเอกกลับมาเป็นข้อมูลดิจิตอล (decoding) ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีทั้งหกด้านนี้เป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญของการพัฒนาระบบบันทึกข้อมูลด้วยดีเอ็นเอ

แม้ว่าไอเดียการบันทึกข้อมูลลงดีเอ็นเอจะมีมาตั้งแต่ยุค 1960s แล้วแต่เทคโนโลยี “อ่าน” และ “เขียน” ดีเอ็นเอเพิ่งมาเป็นรูปเป็นร่างช่วงยุค 1970s-1980s

ผลงานการเขียนข้อมูลลงดีเอ็นเอชิ้นแรกเป็นของศิลปินชื่อโจ เดวิส (Joe Davis) ในปี 1988 รูปไอคอนสามง่าม “Microvenus” สัญลักษณ์แทนชีวิต โลกและอวัยวะเพศหญิง ขนาด 5×7 พิกเซลล์ถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบดิจิตอล มีเลข 0 และ 1 แทนสีขาวและดำจากนั้นก็แปลงเป็นลำดับเบสดีเอ็นเอขนาด 28 เบส ชิ้นดีเอ็นถูกสังเคราะห์ขึ้นและนำไปฝากเก็บไว้ในเซลล์แบคทีเรียอีโคไล (E.coli) ชิ้นดีเอ็นเอนี้สามารถเอาสกัดแยกกลับมาและแปลงรหัสกลับเป็นรูป Microvenus ใหม่ได้

สำหรับเดวิส ผลงานชิ้นนี้ไม่เพียงแต่เป็นตัวแทนของประติมากรรมยุคใหม่ที่ “มีชีวิต” แต่ยังตอบโจทย์และเติมเต็มส่วนที่ขาดหายในศาสตร์และศิลป์ของการสื่อสารกับสิ่งมีชีวิตต่างดาว ช่วงต้นของการสำรวจอวกาศในยุค 70s แผ่นทองคำสลักรูปมนุษย์เปลือยชายหญิงหนึ่งคู่พร้อมแผนที่ระบบสุริยะถูกส่งออกไปพร้อมยานไพโอเนีย 10 และ 11 เป็นโปสการ์ดทักทายจากชาวโลก เดวิสอธิบายว่าการใช้ดีเอ็นเอบันทึกข้อความหรือรูปสัญลักษณ์เป็นอีกแนวทางใหม่ในการบันทึกข้อมูลเพื่อการสื่อสารระยะไกลๆ ใช้เวลายาวๆ ระหว่างดวงดาว ส่วนไอคอนอวัยวะเพศหญิงในนั้นก็คือส่วนที่ขาดไปบนโปสการด์ที่ยานไพโอเนียซึ่งโชว์แต่อวัยวะเพศชายเท่านั้น

หลังจากงานของเดวิส ก็งานของศิลปินหรือนักวิจัยท่านอื่นๆ เกี่ยวกับการบันทึกข้อมูลลงดีเอ็นเออีกหลายชิ้น ข้อมูลที่บันทึกลงไปมีตั้งแต่สมการคณิตศาสตร์ เพลง บทกวี ข้อความจากนิยายหรือคัมภีร์ไบเบิล ฯฯ งานพวกนี้ทั้งหมด ทำได้เพียงบันทึกข้อมูลขนาดเล็กๆ ไม่กี่ร้อยไบต์ในชิ้นดีเอ็นเอสายสั้นๆ ดีเอ็นเอพวกนี้ต้องถูกสังเคราะห์มาทีละสาย (column-based DNA synthesis) และเก็บรักษาไว้ในแบคทีเรีย ด้วยขั้นตอนที่ยุ่งยากและราคาที่สูงทำให้วงการบันทึกข้อมูลลงดีเอ็นเอ (DNA digital data storage) คลานต้วมเตี้ยมไปช้าๆ อยู่หลายสิบปี

ช่วงยุค 1990s – 2000s วงการชีววิทยาและการแพทย์ทั่วโลกกำลังคึกคักกับงานเมกกะโปรเจกต์ถอดรหัสจีโนมมนุษย์ (The Human Genome Project) ตามมาด้วยการในลักษณะเดียวกันกับสิ่งมีชีวิตที่สำคัญต่อวงการแพทย์หรือการเกษตรอื่นๆ โครงการพวกนี้ผลักดันให้เทคโนโลยีการอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอก้าวหน้าไปมาก ทั้งเร็ว ถูก และใช้ง่ายกว่าเดิมเป็นหมื่นเป็นแสนเท่าในเวลาไม่กี่ปี ขณะเดียวกันความเข้าใจด้านจีโนมิกส์ก็นำมาสู่การประยุกต์ใช้หลายอย่างรวมทั้งพัฒนาชิป (DNA microarray) สำหรับตรวจพันธุกรรมและการแสดงของยีนทีละหลายพันหลายหมื่นยีน ชิปพวกนี้ประกอบจากดีเอ็นเอสายเดี่ยวสั้นๆ ลำดับเบสต่างๆ กันจำนวนมากที่อัดแน่นอยู่บนพื้นผิวเล็กๆ สำหรับทำหน้าที่เป็นตรวจจับสารพันธุกรรม ด้วยเหตุนี้ทำให้เทคโนโลยีการสังเคราะห์ดีเอ็นเอบนชิป (array-based DNA synthesis) ก้าวหน้าไปมากเช่นกัน

ปี 2012 ทีมวิจัยสองทีมจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) และจากสถาบันชีวสารสนเทศยุโรป (European Bioinformatic Institute, EBI) ส่งงานวิจัยตีพิมพ์สองชิ้นในเวลาห่างกันไม่กี่เดือนในวารสารชั้นนำ Science และ Nature รายงานถึงก้าวกระโดดสำคัญของวงการการบันทึกข้อมูลดิจิตอลในดีเอ็นเอ ทั้งสองทีมรายงานการบันทึกข้อมูลขนาด 700 กิโลไบต์ซึ่งมากกว่าที่เคยรายงานมาก่อนหน้านี้กว่าพันเท่า

งานทั้งสองชิ้นเขียนข้อมูลลงดีเอ็นเอด้วยเทคโนโลยี array-based DNA synthesis ของ เอจิเลนต์ (Agilent) บริษัทผู้นำการสังเคราะห์ดีเอ็นเอบนชิปในยุคนั้น และใช้เทคนิคการอ่านข้อมูลกลับจากดีเอ็นเอด้วยเทคโนโลยี next generation sequencing (NGS) ของบริษัทอิลูมินา (Illumina) นอกจากการใช้เทคโนโลยีการเขียนและอ่านดีเอ็นเอยุคใหม่ที่ทั้งเร็วและถูกกว่าเดิมเป็นพันๆ เท่าแล้ว แล้วทั้งสองทีมวิจัยยังได้นำเสนออัลกอริทึมแบบใหม่ๆ สำหรับการแปลงข้อมูลดิจิตอลเป็นข้อมูลลำดับเบสดีเอ็นเอ อัลกอริทึมพวกนี้ทำให้เราสามารถมาบีบอัดข้อมูลลงลำดับเบสได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น ขณะเดียวกันก็มีกลไกสำหรับแก้ไขข้อมูล (error correction) ที่อาจผิดพลาดหรือสูญเสียไประหว่างการเขียน เก็บและอ่านลำดับเบสดีเอ็นเอ

หลักจากปี 2012 มางานวิจัยด้านการบันทึกข้อมูลลงดีเอ็นเอเติบโตขึ้นอย่างก้าวกระโดด งานช่วงนี้แทบทุกชิ้นใช้ array based DNA และ NGS มีการนำเอาอัลกอริทึมใหม่ๆ มาใช้เพิ่มประสิทธิภาพการแปลง และแก้ไขข้อมูล นอกจากความก้าวหน้าจากฝั่งงานวิจัยเชิงวิชาการแล้ว บริษัทเอกชนที่เห็นโอกาสทางธุรกิจก็เริ่มกระโดดเข้ามาเล่นจริงจังในวงการนี้ ปี 2015 ไมโครซอฟท์ (Microsoft) ยักษ์ใหญ่จากวงการคอมพิวเตอร์ซอฟต์แวร์ตั้งหน่วยวิจัยเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการเก็บข้อมูลในดีเอ็นเอโดยเฉพาะ

ปี 2018 ทีมจากไมโครซอฟท์รายงานระบบการบันทึกและอ่านข้อมูลดิจิตอลจากดีเอ็นเอแบบครบวงจร ระบบนี้สามารถเก็บข้อมูลถึง 200 เมกกะไบท์มากกว่างานเมื่อหกปีก่อนหน้าอีกเกือบพันเท่า ระบบนี้ยังสามารถดึงเอาเข้าข้อมูลที่เก็บไว้เฉพาะส่วนที่สนใจ (random access memory) ไม่ต้องอ่านออกมาทั้งหมดทุกครั้งอย่างระบบบันทึกยุคก่อนหน้า อัลกอริทึมการแปลงรหัสและกู้ข้อมูลก็ดีขึ้นถึงจุดที่จะผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องอ่านข้อมูลเยอะๆ ซ้ำเหมือนแต่ก่อน ภายในช่วงเวลาห้าปีที่ผ่านมา (2018-2022) ไมโครซอฟท์ยังมีสิทธิบัตรที่ได้รับการจดหรืออยู่ระหว่างยื่นจดอีกกว่าสิบชิ้นครอบคลุมแทบจะทุกขั้นตอนของกระบวนการเก็บข้อมูลในดีเอ็นเอ นอกเหนือจากไมโครซอฟท์แล้วยังมีอีกหลายบริษัทที่พัฒนาเทคโนโลยีด้านนี้ กลุ่มความร่วมมือด้านการบันทึกข้อมูลลงดีเอ็นเอ (DNA data storage alliance) มีทั้งบริษัทด้านคอมพิวเตอร์อย่างเดลล์ (Dell) เวสเทิร์นดิจิตอล (Western Digital) ลีโนโว (Lenovo) ซีเกท (Seagate) ฯลฯ และบริษัทฝั่งที่สร้างเทคโนโลยีการสังเคราะห์อย่างทวิสต์ไบโอไซน์ (Twist Bioscience) และอ่านดีเอ็นเออย่างอิลูมินา (Illumina)

ตลาดสำหรับการเขียน/อ่านดีเอ็นเอเพื่อใช้เป็นแหล่งเก็บข้อมูลมีความต้องการที่ต่างจากการใช้ดีเอ็นเอในงานไบโอเทคหรือการแพทย์ไปตรงที่ความแม่นยำในการอ่านและเขียนอาจจะไม่ต้องสูงมากเพราะสามารถกู้ข้อมูลที่ตกหล่นบางส่วนด้วยอัลกอริทึมหลังแปลงกลับเป็นไฟล์ดิจิตอลได้ ขณะที่งานไบโอเทคหรือการแพทย์อ่านหรือเขียนดีเอ็นเอผิดไปตัวเดียวอาจจะส่งผลร้ายแรงต่อการวินิจฉัย/รักษาโรคหรือการปรับปรุงพันธุ์ ในทางตรงข้ามการประยุกต์ใช้ดีเอ็นเอเพื่อเก็บข้อมูลดิจิตอลต้องการเทคโนโลยีการเขียนและอ่านดีเอ็นเอที่ถูกและเร็วกว่าที่ใช้กันตอนนี้มากๆ ประมาณกันว่าการเขียน/อ่านข้อมูลแค่ระดับกิโลไบท์ต่อวินาทีเป็นเวลาแค่สองสัปดาห์ยังต้องใช้ดีเอ็นเอปริมาณมากกว่าที่ทั้งวงการแพทย์และไบโอเทคในปัจจุบันใช้กันอยู่ตอนนี้ทั้งปี ในมุมธุรกิจนี่เป็นโอกาสที่น่าสนใจสำหรับเทคโนโลยีการเขียน/อ่านดีเอ็นเออีกหลายตัวที่ผ่านมาโดนดองเอาไว้เพราะถูกและเร็วแต่ไม่แม่นยำพอสำหรับงานงานไบโอเทคหรือการแพทย์

การเก็บข้อมูลดิจิตอลในดีเอ็นเอจะเป็นอีกตัวอย่างคลาสสิกของการกระโดดข้ามองค์ความรู้ระหว่างต่างวงการวิชาการและวงการธุรกิจ และเป็นอีกตัวอย่างของการเอาเอาวัสดุธรรมชาติมาใช้งานในบริบทใหม่ๆ มนุษย์ยุคโบราณเอากระดูกสัตว์มาทำเป็นเครื่องดนตรี เอาไม้มาสร้างบ้าน และหนังสัตว์มาเป็นเครื่องนุ่งห่มฯลฯ ด้วยมุมมองนี้การเก็บข้อมูลดิจิตอลในดีเอ็นเอก็เป็นเรื่องไม่ต่างกัน พันล้านปีของวิวัฒนาการได้มอบ “ดีเอ็นเอ” วัสดุมหัศจรรย์ที่เก็บข้อมูลมหาศาลในปริมาตรเล็กจิ๋ว คงสภาพได้เป็นแสนเป็นล้านปี แถมยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ตอนนี้ก็รอแต่พลังความคิดสร้างสรรค์ของมนุษย์ยุคเราแล้วว่าจะใช้มันอย่างไร

ภาพประกอบ บันทึกไฟล์ดิจิตอลลงดีเอ็นเอ

อ้างอิง

https://theconversation.com/the-worlds-data-explained-how-much-were-producing-and-where-its-all-stored-159964

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0019941

https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/bb/catalog/nlm:nlmuid-101584906X7699-doc

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31068682/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31220251/

https://academic.oup.com/nsr/article/7/6/1092/5711038

https://www.genome.gov/human-genome-project

https://www.science.org/doi/10.1126/science.1226355

https://www.nature.com/articles/nature11875

https://www.microsoft.com/en-us/research/project/dna-storage/