Digitaalisen tiedon määrän kasvu saa tutkijat etsimään kompakteja tapoja tallentaa ja tallentaa niitä. Ja mikä voisi olla kompaktimpi kuin DNA? RIA Novosti selvitti yhdessä asiantuntijan kanssa, kuinka koodata sanoja nukleotideillä ja kuinka paljon tietoa yksi molekyyli sisältää.
Syyt-koodit
DNA on nukleotidisekvenssi. Niitä on vain neljä: adeniini, guaniini, tymiini, sytosiini. Tietojen koodaamiseksi jokaiselle niistä annetaan numero-koodi. Esimerkiksi tymiini-0, guaniini-1, adeniini-2, sytosiini-3. Koodaus alkaa sillä, että kaikki kirjaimet, numerot ja kuvat muunnetaan binaarikoodiksi, ts. Nolla- ja jonojonoksi, ja ne muunnetaan jo nukleotidisekvenssiksi, toisin sanoen kvaternääriseksi koodiksi.
Ennen kuin koodaat tiedot DNA: han, sinun on käännettävä ne digitaaliseen koodiin / RIA Novostin piirrokseen. Alina Polyanina.
Vain kolme nukleotidiä voidaan käyttää rakentamaan koodi (kolmiosainen koodi), ja neljäs on hajottamaan sekvenssit osiin. Emästen rakentamisessa on vaihtoehto binäärikoodina, kun kaksi niistä vastaa nollaa ja kaksi vastaa yhtä.
Lukemiseen käytetään useita tekniikoita. Yksi yleisimmistä on se, että DNA-molekyylin ketju kopioidaan käyttämällä emäksiä, joista jokaisella on värimerkki. Sitten erittäin herkkä ilmaisin lukee tiedot ja tietokone käyttää värejä nukleotidisekvenssin rekonstruoimiseen.
”DNA-molekyyli on erittäin kapasiteetti. Jopa bakteereissa se sisältää yleensä noin miljoona emästä ja ihmisissä jopa kolme miljardia emästä. Toisin sanoen jokaisessa ihmisen solussa on tietomäärä, joka on verrattavissa flash-muistin kapasiteettiin. Ja meillä on biljoonoja sellaisia soluja. DNA: han voidaan tallentaa valtava määrä tietoa, mutta kirjoittaminen ja lukeminen tällaiselta välineeltä on edelleen liian hidasta ja kallista”, sanoo tohtori Alexander Panchin, Venäjän tiedeakatemian A. A. Kharkevichin nimittämän tiedonsiirto-ongelmien instituutin vanhempi tutkija.
Mainosvideo:
Tallennustiheys kasvaa
Kesäkuussa 1999 Nature-lehdessä julkaistiin amerikkalaisten tutkijoiden artikkeli, joka kehitti tekniikan salaisten viestien lähettämiseen DNA: n avulla. He syntetisoivat molekyylin sisällyttämällä nukleotidisekvenssin, joka on muodostettu käyttämällä kvaternääristä koodia. Seoksen salainen DNA lähetettiin toiseen laboratorioon. Sen työntekijät löysivät erityisillä kemiallisilla avaimilla halutun molekyylin ja uuttivat siitä tietoja.
”Yleensä DNA: n tietojen tallentamiseen on kaksi tapaa. Ensimmäinen on, kun syntetisoit täysin uutta DNA: ta kemiallisella syntetisaattorilla. Tietokoneen käskyllä nukleotidejä lisätään ratkaisuun tietyssä järjestyksessä, ja vaadittu perusketju "kasvaa vähitellen". Toisessa tapauksessa tiedot koodataan organismin jo olemassa olevaan DNA: han”, Panchin selittää.
Toukokuussa 2010 Craig Venter -ryhmä, joka kartoitti ihmisen perimän, julkaisi paperin keinotekoisen bakteerin luomisesta. He ottivat perustana perimästä puhdistetun bakteerisolun ja sijoittivat muodostetun emässekvenssin sinne. Tuloksena on uusi, varsin aktiivinen ja elossa oleva bakteeri, joka eroaa tavallisesta vain siinä, että sen DNA on luotu käsin. Lisäksi joukkue osoitti kauneuden tunteen kirjoittamalla nimensä ja lainauksensa klassikoista käyttämällä kvaternääristä koodia bakteerin DNA: han.
Vuonna 2012 molekyylibiologin George Churchin johtama ryhmä otti perusteellisemman lähestymistavan ja DNA-koodasi 52 000 sanan teoksen Regenesis: How Synthetic Biology Reinvent Nature ja itsemme, useita kuvia ja yhden Java-ohjelman. He käyttivät binaarikoodia. Tietojen kokonaismäärä oli 658 kilotavua. Tietotiheyden havaittiin olevan lähes 1018 tavua grammaa kohti molekyylejä. Vertailun vuoksi 1012 tavun kiintolevy painaa noin sata grammaa. Tämän menetelmän päähaitta on tallennetun tiedon epävakaus.
”DNA-molekyylillä on taipumus mutatoitua, mikä vähentää tietojen tallennuksen luotettavuutta. Varsinkin jos DNA: n kantaja on elävä solu, joka kykenee jakautumaan: kun DNA: ta kopioidaan, virheet hiipivät erityisen usein. Tietojen tallennuksen luotettavuus kasvaa, jos sinulla on tuhansia kopioita samasta viestistä. Tai vain varastoi DNA, esimerkiksi, pakastimeen. Matalassa lämpötilassa molekyylin kyky mutatoitua heikkenee merkittävästi”, asiantuntija selittää.
Lisäksi tiedot menetetään joskus lukemisen yhteydessä. Virheet voivat olla luonteeltaan kemiallisia, kun elementtiin on kiinnitetty väärä perusta tai laskettu puhtaasti, eli tietokoneesta riippuen.
Kallis, luotettava
Maaliskuussa 2017 Science-lehti julkaisi amerikkalaisten tutkijoiden artikkelin, joka onnistui kirjoittamaan 2 * 1017 tavua grammaa kohti DNA: ta. Biologit korostavat, että he eivät ole menettäneet yhtään tavua. Yksinkertaisesti sanottuna, mitä nauhoitimme on mitä saimme poistumalla.
Tavalliselle käyttäjälle "geneettistä flash-asemaa" ei ole vielä saatavana, koska sen tallentaminen on erittäin kallista, ja luku / kirjoitusnopeus on alhainen. Tutkijoiden arvioiden mukaan vain yhden megatavan lukeminen vaatii noin kolme ja puoli tuhatta dollaria ja useita tunteja aikaa.
Tietojen tallentamisen DNA: n kiistattomia etuja ovat valtava tiedontallennustiheys sekä kantajan stabiilisuus - tosin vain alhaisissa lämpötiloissa.