تخزين البيانات واسترجاعها باستخدام بروتينات غير طبيعية معبر عنها عبر الإشريكية القولونية

لماذا تحويل البيانات إلى بروتين مهم

هواتفنا وأجهزة الاستشعار وحياتنا على الإنترنت تغمر العالم بالمعلومات، وقد لا تستمر الأقراص الصلبة والشرائط المغناطيسية الحالية إلى الأبد. تستكشف هذه الدراسة فكرة مختلفة تمامًا: تخزين البيانات الرقمية داخل بروتينات مصنوعة في المختبر يمكن إنتاجها بواسطة بكتيريا شائعة. يبيّن المؤلفون أن هذه البروتينات المخصّصة يمكن أن تحمِل رسائل، وتتحمّل ظروفًا قاسية أفضل من الحمض النووي، بل وتدعم أيضًا حيلًا متقدمة مثل الوصول الانتقائي والمعلومات السرية «المقفلة».

من الآحاد والأصفار إلى سلاسل من اللبنات

أي ملف رقمي هو في النهاية سلسلة طويلة من الآحاد والأصفار. يحول الباحثون أولًا هذه البتات إلى تسلسل من الأحماض الأمينية، وحدات البناء الصغيرة التي تُشكّل البروتينات. كل حمض أميني مختار يرمز لنمط قصير مكوّن من ثلاث بتات، لذا تصبح سلسلة الأحماض الأمينية رسالة مُشفّرة. تُدرج هذه التسلسلات الاصطناعية بعدها في تصاميم بروتينية أطول وتُنتج داخل الإشريكية القولونية، البكتيريا العاملة واسعة الاستخدام في تقنية الحيوية. بعد إنتاجها، تُجفّف البروتينات إلى مسحوق يصبح الوسط الفيزيائي الذي يخزن المعلومات.

لماذا واجهت التصاميم الأولى صعوبات وكيف أظهر الكولاجين الطريق

كانت المقاربة الأولى للفريق تقتضي ببساطة خياطَة مقاطع حاملة للبيانات معًا في بروتين طويل واحد. رغم أنها أنيقة على الورق، لم تتصرّف هذه السلاسل غير الطبيعية جيدًا داخل الإشريكية القولونية: كانت إنتاجيتها ضعيفة وتتعرّض بسهولة لقطع إنزيمات الخلية. لإصلاح ذلك، استلهم الباحثون من الكولاجين، البروتين البنيوي المتين الموجود في العظام وبقايا الحفريات والذي يمكن أن يظل لمدى ملايين السنين. بنوا قالبًا جديدًا يُحاكي نمط تكرار الكولاجين ودمجوه مع نطاق شبيه بالكولاجين معروف بتعبيره الجيد في البكتيريا. يوفر هذا الإطار على طراز الكولاجين مساحة لترميز البيانات، لكنه يمنح البروتين ككل شكلًا أكثر طبيعية تتحمله الخلية ويقاوم التحلل غير المرغوب.

الكتابة والقراءة والتوسع في ذاكرة البروتين

بالتصميم المستوحى من الكولاجين، نجح العلماء في تخزين نصوص إنجليزية واقتباسات مشهورة من لغات متعددة داخل عدة بروتينات مختلفة. أظهروا أن الإشريكية القولونية قادرة على إنتاج هذه البروتينات الحاملة للبيانات بمردودات مفيدة، وأن الأدوات البيوكيميائية القياسية يمكن أن تنقّيها دون جهد خارق. لقراءة المعلومات المخزنة، تُقصّ البروتينات إلى قطع أقصر بواسطة إنزيم، ثم تُحلّل هذه القطع بواسطة مطياف كتلة حساس يزن الشظايا. تعيد برامج مخصّصة تركيب سلاسل الأحماض الأمينية الأصلية وتحويلها عائدًا إلى بتات. حتى عندما تكون نسبة الشظايا المفقودة أو الخاطئة نحو واحد من كل عشرة تقريبًا، تسمح رموز تصحيح الأخطاء المدمجة باسترجاع الرسائل كاملة بدقة، بما في ذلك عند خلط العديد من البروتينات معًا.

الثبات والوصول الانتقائي والرسائل المخفية

وعد رئيسي للتخزين الجزيئي هو طول العمر. قارن المؤلفون أحد بروتيناتهم الشبيهة بالكولاجين مع تسلسل DNA يحمل نفس الرسالة تحت ظروف حارة وحامضية شديدة. حافظ البروتين على معظم كتلته وظل قابلاً للقراءة بعد أيام عند درجة حرارة 70 مئوية وفي وسط شديد الحموضة، بينما تحلّل الحمض النووي بسرعة. ثم أظهروا أن إضافات قصيرة على نهايات البروتين يمكن أن تعمل كبطاقات باركود: باستخدام أجسام مضادة مطابقة، استطاعوا سحب البروتينات المتعلقة باقتباس مختار فقط من مزيج معقّد وقراءة ذلك الجزء من البيانات وحده. بدمج بروتينات «تركيع» ذات علامات عادية وبروتينات «سرية» معنونة بوسوم خاصة فقط، بنوا شكلًا بسيطًا من التشفير الجزيئي، حيث لا يستطيع سوى من يعرف الوسم الصحيح استرجاع الرسالة المخفية بموثوقية.

ماذا يعني هذا لمستقبل البيانات

تقدّم هذه العمل أول برهان كامل على أن بروتينات جديدة تمامًا وغير طبيعية يمكن أن تعمل كوسط قوي للبيانات الرقمية، من الكتابة والتخزين إلى القراءة الدقيقة. بينما لا تزال السعات والسرعات الحالية بعيدة عن الاستخدام اليومي، يقدم النهج كثافة محتملة عالية جدًا وثباتًا ملحوظًا، خاصة للأرشفة طويلة الأمد. ومع استمرار تطور أدوات تصميم وإنتاج وتسلسل البروتينات، قد تكمل البيانات المشفّرة في البروتينات الحمض النووي والمعدات التقليدية، ما يتيح أرشيفات متينة على الأرض أو حتى في الفضاء، وربما يسمح بتخزين المعلومات مباشرة داخل أنظمة حية مع ضمانات دقيقة.

الاستشهاد: Zhou, Y., Ng, C.C.A., Liu, C. et al. Data storage and retrieval with unnatural proteins expressed via E. coli. Nat Commun 17, 3320 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70061-7

الكلمات المفتاحية: تخزين البيانات في البروتين, الذاكرة الجزيئية, تعبير الإشريكية القولونية, بروتينات شبيهة بالكولاجين, تشفير البيانات