Wzrost ilości informacji cyfrowych skłania naukowców do poszukiwania bardziej kompaktowych sposobów ich rejestrowania i przechowywania. A co może być bardziej zwarte niż DNA? RIA Novosti wraz z ekspertem zorientowali się, jak kodować słowa za pomocą nukleotydów i ile danych zawiera jedna cząsteczka.
Kody-przyczyny
DNA to sekwencja nukleotydów. Jest ich tylko cztery: adenina, guanina, tymina, cytozyna. Aby zakodować informacje, każdemu z nich przypisany jest kod cyfrowy. Na przykład tymina - 0, guanina - 1, adenina - 2, cytozyna - 3. Kodowanie zaczyna się od tego, że wszystkie litery, cyfry i obrazy są konwertowane na kod binarny, czyli sekwencję zer i jedynek, i są już przekształcane w sekwencję nukleotydów, czyli kod czwartorzędowy.
Zanim zakodujesz dane w DNA, musisz przetłumaczyć je na kod cyfrowy / ilustrację RIA Novosti. Alina Polyanina.
Do zbudowania kodu (kod trójskładnikowy) można użyć tylko trzech nukleotydów, a czwarty to rozbicie sekwencji na części. Istnieje opcja z budową baz w postaci kodu binarnego, gdy dwie z nich odpowiadają zeru, a dwie jednemu.
Do czytania używa się kilku technik. Jednym z najczęstszych jest kopiowanie łańcucha cząsteczki DNA za pomocą zasad, z których każda ma kolorową etykietę. Następnie bardzo czuły detektor odczytuje dane, a komputer wykorzystuje kolory do rekonstrukcji sekwencji nukleotydów.
„Cząsteczka DNA jest bardzo pojemna. Nawet u bakterii zawiera zwykle około miliona zasad, au ludzi nawet trzy miliardy. Oznacza to, że każda ludzka komórka przenosi ilość informacji porównywalną z pojemnością pamięci flash. Mamy biliony takich komórek. W DNA można zarejestrować ogromną ilość danych, ale pisanie i odczytywanie z takiego nośnika jest nadal zbyt powolne i kosztowne”- mówi dr Alexander Panchin, starszy pracownik naukowy w Instytucie Problemów Transmisji Informacji im. A. A. Charkewicza z Rosyjskiej Akademii Nauk.
Film promocyjny:
Rośnie gęstość zapisu
W czerwcu 1999 r. Czasopismo Nature opublikowało artykuł amerykańskich naukowców, którzy opracowali technikę wysyłania tajnych wiadomości przy użyciu DNA. Zsyntetyzowali cząsteczkę poprzez włączenie sekwencji nukleotydowej utworzonej przy użyciu kodu czwartorzędowego. Sekretne DNA w mieszaninie zostało wysłane do innego laboratorium. Jej pracownicy za pomocą specjalnych kluczy chemicznych znaleźli pożądaną cząsteczkę i wydobyli z niej informacje.
„Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa podejścia do rejestrowania danych dotyczących DNA. Pierwszy to synteza całkowicie nowego DNA za pomocą syntezatora chemicznego. Na polecenie komputera nukleotydy dodawane są do roztworu w określonej kolejności, a wymagany łańcuch zasad stopniowo „rośnie”. W drugim przypadku dane są kodowane w już istniejącym DNA organizmu”- wyjaśnia Panchin.
W maju 2010 roku grupa Craiga Ventera, która jako pierwsza zmapowała ludzki genom, opublikowała artykuł na temat stworzenia sztucznej bakterii. Jako podstawę wzięli komórkę bakteryjną oczyszczoną z genomu i umieścili tam utworzoną sekwencję zasad. Rezultatem jest nowa bakteria, dość aktywna i żywa, która różni się od zwykłej jedynie tym, że jej DNA zostało utworzone ręcznie. Ponadto zespół zademonstrował poczucie piękna, pisząc swoje nazwiska i cytaty z klasyków przy użyciu czwartorzędowego kodu w bakteryjnym DNA.
W 2012 roku grupa kierowana przez biologa molekularnego George'a Churcha przyjęła bardziej fundamentalne podejście i zakodowała za pomocą DNA książkę Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves, składająca się z 52 000 słów, zawierająca kilka zdjęć i jeden program w języku Java. Użyli kodu binarnego. Całkowita ilość danych wyniosła 658 kilobajtów. Stwierdzono, że gęstość informacji wynosi prawie 1018 bajtów na gram cząsteczek. Dla porównania 1012-bajtowy dysk twardy waży około stu gramów. Główną wadą tej metody jest niestabilność zapisywanych informacji.
„Cząsteczka DNA ma tendencję do mutacji, co zmniejsza niezawodność przechowywania danych. Zwłaszcza jeśli nosicielem DNA jest żywa komórka zdolna do podziału: kiedy DNA jest zduplikowane, szczególnie często pojawiają się błędy. Niezawodność przechowywania danych wzrośnie, jeśli będziesz mieć tysiące kopii tej samej wiadomości. Albo po prostu przechowuj DNA, powiedzmy, w zamrażarce. W niskich temperaturach zdolność cząsteczki do mutacji jest znacznie ograniczona”- wyjaśnia ekspert.
Ponadto podczas czytania czasami gubią się informacje. Błędy mogą mieć charakter chemiczny, gdy do elementu jest przymocowana niewłaściwa podstawa lub czysto obliczeniowy, czyli w zależności od komputera.
Drogie, niezawodne
W marcu 2017 roku magazyn Science opublikował artykuł amerykańskich naukowców, którym udało się zapisać 2 * 1017 bajtów na gram DNA. Biolodzy podkreślają, że nie stracili ani jednego bajta. Mówiąc najprościej, to, co nagraliśmy, to to, co dostaliśmy na wyjściu.
Dla zwykłego użytkownika „genetyczny dysk flash” nie jest jeszcze dostępny, ponieważ przechowywanie na nim informacji jest bardzo drogie, a prędkość odczytu / zapisu jest niska. Naukowcy szacują, że odczytanie zaledwie jednego megabajta wymaga około trzech i pół tysiąca dolarów i kilku godzin.
Niewątpliwymi zaletami zapisywania informacji na DNA jest ogromna gęstość przechowywania danych, a także stabilność nośnika - choć tylko w niskich temperaturach.