A digitális információ növekedése arra készteti a tudósokat, hogy kompaktabb módszereket keressenek az adatok rögzítésére és tárolására. És mi lehet kompaktabb, mint a DNS? A RIA Novosti egy szakértővel együtt kitalálta, hogyan kell kódolni a szavakat nukleotidokkal és mekkora adatot tartalmaz egy molekula.
Okok-kódok
A DNS nukleotidok egy szekvenciája. Ezek közül csak négy van: adenin, guanin, timin, citozin. Az információk kódolásához mindegyikük egy számkóddal rendelkezik. Például: timin - 0, guanin - 1, adenin - 2, citozin - 3. A kódolás azzal a tényvel kezdődik, hogy minden betűt, számot és képet bináris kódmá alakítanak, azaz nullák és egyek sorozatává, és már nukleotidok sorozatává, azaz egy kvaterner kódmá alakítják őket.
Mielőtt adatokat kódolna a DNS-be, le kell fordítania azokat digitális kódra / Illusztráció: RIA Novosti. Alina Polyanina.
Csak három nukleotid használható egy kód (háromoldalú kód) felépítéséhez, a negyedik pedig a szekvenciák részekre bontására szolgál. Van egy lehetőség bináris kódú bázisok létrehozásával, amikor kettő nulla, kettő pedig egy.
Az olvasáshoz számos technikát használnak. Az egyik leggyakoribb az, hogy egy DNS-molekula láncát másolják bázisokkal, amelyek mindegyike rendelkezik színes címkével. Ezután egy nagyon érzékeny detektor leolvassa az adatokat, és a számítógép a színeket használja a nukleotidszekvencia rekonstruálására.
„A DNS-molekula nagyon kapacitív. Még baktériumokban is általában körülbelül egy millió bázist tartalmaz, és az emberekben akár három milliárd bázist is tartalmaz. Vagyis minden emberi sejt olyan mennyiségű információt hordoz, amely összehasonlítható a flash meghajtó kapacitásával. És milliárd ilyen sejtünk van. Nagyon sok adat rögzíthető a DNS-ben, de az ilyen adathordozóról történő írás és olvasás továbbra is túl lassú és költséges”- mondta Alexander Panchin, Ph. D., az A. A. Kharkevich, az Orosz Tudományos Akadémia nevű információátviteli problémák intézetének vezető kutatója.
Promóciós videó:
A felvételi sűrűség növekszik
1999 júniusában a Nature folyóirat cikket tett közzé az amerikai tudósoktól, akik kidolgozták a titkos üzenetek DNS-sel történő küldésének módszerét. Egy molekulát szintetizáltak egy kvaterner kóddal létrehozott nukleotidszekvencia beépítésével. A keverékben lévő titkos DNS-t egy másik laboratóriumba küldték. Munkavállalói speciális kémiai kulcsok segítségével megtalálták a kívánt molekulát és kivontak belőle információkat.
„Általában kétféle módszer van a DNS-adatok rögzítésére. Az első az, amikor egy teljesen új DNS-t egy kémiai szintetizátorral szintetizálsz. A számítógép parancsánál a nukleotidokat egy bizonyos sorrendben adják az oldathoz, és a szükséges bázislánc fokozatosan "növekszik". A második esetben az adatok a szervezet már létező DNS-jébe vannak kódolva”- magyarázza Panchin.
2010 májusában Craig Venter csoportja, aki először térképezte fel az emberi genomot, papírt tett közzé egy mesterséges baktérium létrehozásáról. Vettek alapul a genomból megtisztított baktériumsejtet, és oda helyezték a képződött alapszekvenciát. Az eredmény egy új, elég aktív és életben lévő baktérium, amely a szokásostól csak abban különbözik, hogy a DNS-ét kézzel készítették. Ezenkívül a csapat megmutatta szépségérzetét azáltal, hogy nevét és idézetét a klasszikusoktól írta, egy kvaterner kód segítségével a baktérium-DNS-be.
2012-ben a George Church molekuláris biológus vezetése alatt álló csoport alapvetõbb megközelítést alkalmazott, és a DNS-kóddal egy 52 000 szavas könyv a Regenesis: Hogyan szintetikus biológia fogja feltalálni a természet és önmagát, több kép és egy Java program. Bináris kódot használták. Az összes adat 658 kilobájt volt. Az információs sűrűséget majdnem 1018 bájt / gramm molekulánál találták. Összehasonlításképpen: egy 1012 bájtos merevlemez súlya körülbelül száz gramm. Ennek a módszernek a fő hátránya a rögzített információk instabilitása.
„A DNS-molekula hajlamos a mutációra, ami csökkenti az adattárolás megbízhatóságát. Különösen akkor, ha a DNS hordozója egy megoszlásra képes élő sejt: amikor a DNS megismétlődik, a hibák különösen gyakran kúsznak be. Az adattárolás megbízhatósága növekszik, ha ugyanazon üzenet több ezer példánya van. Vagy csak tárolja a DNS-t, mondjuk, a fagyasztóban. Alacsony hőmérsékleten a molekula mutációs képessége jelentősen csökken”- magyarázza a szakértő.
Ezen túlmenően az információ elveszik olvasás közben. A hibák kémiai jellegűek lehetnek, ha egy elemhez nem megfelelő alap van rögzítve, vagy tisztán kiszámítva, azaz a számítógéptől függően.
Drága, megbízható
2017 márciusában a Science magazin közzétette egy olyan amerikai tudósok cikkét, akiknek sikerült 2 * 1017 bájtot írni grammonként DNS-en. A biológusok hangsúlyozzák, hogy egyetlen bájtot sem vesztettek el. Egyszerűen fogalmazva: amit rögzítettünk, azt a kijáratnál kaptuk.
Egy hétköznapi felhasználó számára a "genetikai flash meghajtó" még nem érhető el, mivel az információk tárolása nagyon drága, és az olvasási / írási sebesség alacsony. A tudósok becslése szerint csupán egy megabájt olvasása megköveteli három és fél ezer dollárt és több órát.
A DNS-n történő információ rögzítésének kétségtelen előnyei között szerepel az adatok hatalmas tárolási sűrűsége, valamint a hordozó stabilitása - azonban csak alacsony hőmérsékleten.