Væksten i mængden af digital information beder forskere om at se efter mere kompakte måder at optage og opbevare dem på. Og hvad kunne være mere kompakt end DNA? RIA Novosti, sammen med en ekspert, regnede ud, hvordan man koder ord med nukleotider, og hvor meget data et molekyle indeholder.
Årsager-koder
DNA er en sekvens af nukleotider. Der er kun fire af dem: adenin, guanin, thymin, cytosin. For at kode oplysninger tildeles hver af dem en cifferkode. F.eks. Thymin - 0, guanin - 1, adenin - 2, cytosin - 3. Kodning begynder med det faktum, at alle bogstaver, tal og billeder konverteres til en binær kode, det vil sige en række nul og en, og at de allerede er konverteret til en sekvens af nukleotider, det vil sige en kvartær kode.
Inden du koder dataene til DNA, skal du oversætte dem til en digital kode / illustration af RIA Novosti. Alina Polyanina.
Kun tre nukleotider kan bruges til at opbygge en kode (ternær kode), og den fjerde er at dele sekvenser i dele. Der er en mulighed med konstruktion af baser i form af en binær kode, når to af dem svarer til nul, og to svarer til en.
Flere teknikker bruges til læsning. En af de mest almindelige er, at en kæde af et DNA-molekyle kopieres ved hjælp af baser, der hver har en farveetiket. Derefter læser en meget følsom detektor dataene, og computeren bruger farverne til at rekonstruere nukleotidsekvensen.
”DNA-molekylet er meget rummeligt. Selv i bakterier indeholder det normalt omkring en million baser og hos mennesker så mange som tre milliarder. Det vil sige, hver menneskelig celle har et volumen af information, der kan sammenlignes med kapaciteten på et flashdrev. Og vi har billioner af sådanne celler. En enorm mængde data kan registreres i DNA, men skrivning og læsning fra et sådant medium er stadig for langsomt og dyrt,”siger Alexander Panchin, ph.d., seniorforsker ved Institute for Information Transmission Problems opkaldt efter A. A. Kharkevich, Russian Academy of Sciences.
Salgsfremmende video:
Optagelsestætheden vokser
I juni 1999 udgav tidsskriftet Nature en artikel af amerikanske forskere, der udviklede en teknik til at sende hemmelige beskeder ved hjælp af DNA. De syntetiserede et molekyle ved at inkorporere en nukleotidsekvens dannet under anvendelse af en kvartær kode. Det hemmelige DNA i blandingen blev sendt til et andet laboratorium. Dets medarbejdere, der brugte specielle kemiske nøgler, fandt det ønskede molekyle og udtrækkede oplysninger fra det.
”Generelt er der to tilgange til registrering af data om DNA. Den første er, når du syntetiserer helt nyt DNA ved hjælp af en kemisk synthesizer. På kommando af computeren føjes nukleotider til opløsningen i en bestemt rækkefølge, og den krævede basekæde "vokser gradvist". I det andet tilfælde kodes data i det allerede eksisterende DNA fra en organisme,”forklarer Panchin.
I maj 2010 offentliggjorde gruppen af Craig Venter, der først kortlagde det menneskelige genom, et papir om dannelsen af en kunstig bakterie. De tog en bakteriecelle oprenset fra genomet som basis og placerede den dannede basesekvens der. Resultatet er en ny bakterie, ganske aktiv og levende, som kun adskiller sig fra den sædvanlige, idet dens DNA blev oprettet for hånd. Derudover demonstrerede teamet en følelse af skønhed ved at skrive deres navne og citater fra klassikere ved hjælp af en kvartær kode i bakterie-DNA.
I 2012 tog en gruppe ledet af molekylærbiolog George Church en mere grundlæggende tilgang og DNA-kodede en 52.000-ord bog Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves, flere billeder og et Java-program. De brugte binær kode. Den samlede datamængde var 658 kilobyte. Informationstætheden viste sig at være næsten 1018 bytes pr. Gram molekyler. Til sammenligning vejer en 1012-byte harddisk omkring hundrede gram. Den største ulempe ved denne metode er ustabiliteten af den registrerede information.
”DNA-molekylet har en tendens til at mutere, hvilket reducerer pålideligheden af datalagring. Især hvis bæreren af DNA er en levende celle, der er i stand til at opdeles: når DNA duplikeres, kryber fejl ind særligt ofte. Pålidelighed for datalagring vil stige, hvis du har tusinder af kopier af den samme meddelelse. Eller bare opbevare DNA'et, siger det i fryseren. Ved lave temperaturer reduceres molekylets evne til at mutere markant,”forklarer eksperten.
Derudover går information undertiden tabt under læsning. Fejl kan være af kemisk karakter, når en forkert base er knyttet til et element eller rent beregnet, det vil sige afhængigt af computeren.
Dyrt, pålideligt
I marts 2017 offentliggjorde Science magazine en artikel af amerikanske forskere, der formåede at skrive 2 * 1017 byte pr. Gram DNA. Biologer understreger, at de ikke har mistet en enkelt byte. Kort sagt, hvad vi optog, er hvad vi fik ved udgangen.
For en almindelig bruger er et "genetisk flashdrev" endnu ikke tilgængeligt, fordi det er meget dyrt at gemme oplysninger om det, og læse / skrivehastigheden er lav. Forskere vurderer, at det kun kræver cirka tre og et halvt tusind dollars og flere timers tid at læse kun en megabyte.
De utvivlsomme fordele ved at registrere information om DNA inkluderer den enorme lagringstæthed af data såvel som stabiliteten af bæreren - dog kun ved lave temperaturer.
