Naraščajoča količina digitalnih informacij prisili znanstvenike, da iščejo bolj kompaktne načine za njihovo snemanje in shranjevanje. In kaj bi lahko bilo bolj kompaktno kot DNK? RIA Novosti je skupaj s strokovnjakom ugotovila, kako kodirati besede z nukleotidi in koliko podatkov vsebuje ena molekula.
Šifre razlogov
DNK je zaporedje nukleotidov. Obstajajo le štirje: adenin, gvanin, timin, citozin. Za kodiranje informacij je vsakemu od njih dodeljena številska koda. Na primer, timin - 0, gvanin - 1, adenin - 2, citozin - 3. Kodiranje se začne z dejstvom, da se vse črke, številke in slike pretvorijo v binarno kodo, torej zaporedje ničel in enot ter se že pretvorijo v zaporedje nukleotidov, to je kvarterne kode.
Preden kodirate podatke v DNK, jih morate prevesti v digitalno kodo / Ilustracija RIA Novosti. Alina Polyanina.
Samo tri nukleotide je mogoče uporabiti za izgradnjo kode (trojna koda), četrti pa je za razbijanje zaporedij na dele. Obstaja možnost z gradnjo baz v obliki binarne kode, ko dve ustrezata ničli, dve pa enaki.
Za branje se uporablja več tehnik. Ena najpogostejših je, da se veriga molekule DNK kopira s pomočjo baz, od katerih ima vsaka barvno nalepko. Nato zelo občutljiv detektor prebere podatke in računalnik z barvami rekonstruira nukleotidno zaporedje.
"Molekula DNK je zelo zmogljiva. Tudi v bakterijah običajno vsebuje približno milijon baz, pri ljudeh pa kar tri milijarde. To pomeni, da vsaka človeška celica nosi obseg informacij, ki je primerljiv z zmogljivostjo bliskovnega pogona. In imamo trilijone takšnih celic. Ogromno količino podatkov je mogoče zabeležiti v DNK, vendar je pisanje in branje iz takega medija še vedno prepočasno in drago, "pravi Aleksander Pančin, doktor znanosti o biologiji, višji raziskovalec na Inštitutu za težave pri prenosu informacij po imenu A. A. Kharkevič, Ruska akademija znanosti.
Promocijski video:
Gostota snemanja raste
V juniju 1999 je revija Nature objavila članek ameriških znanstvenikov, ki so razvili tehniko pošiljanja tajnih sporočil z uporabo DNK. Motele so sintetizirale tako, da so vključile nukleotidno zaporedje, oblikovano s pomočjo kvartarne kode. Skrivno DNK v mešanici so poslali v drug laboratorij. Njeni zaposleni so s pomočjo posebnih kemičnih ključev našli želeno molekulo in iz nje črpali informacije.
"Na splošno obstajata dva pristopa k zapisovanju podatkov o DNK. Prvi je, ko sintetizirate popolnoma novo DNK s pomočjo kemičnega sintetizatorja. Po ukazu računalnika se raztopini dodajo nukleotidi v določenem vrstnem redu in potrebna osnovna veriga postopoma "raste". V drugem primeru so podatki kodirani v že obstoječi DNK organizma, "razlaga Pančin.
Maja 2010 je skupina Craig Venterja, ki je prvi preslikala človeški genom, objavila članek o nastanku umetne bakterije. Kot osnovo so vzeli bakterijsko celico, očiščeno iz genoma, in tam postavili nastalo osnovno zaporedje. Rezultat je nova bakterija, precej aktivna in živa, ki se od običajne razlikuje le po tem, da je bil njen DNK ustvarjen ročno. Poleg tega je ekipa pokazala občutek za lepoto s pisanjem njihovih imen in citatov iz klasike z uporabo kvaternarne kode v bakterijski DNK.
Leta 2012 je skupina, ki jo je vodil molekularni biolog George Church, zavzela bolj temeljni pristop in DNK-kodirala 52.000 besedno knjigo Regenesis: How Synthetic Biology Reinvent Nature andself, nekaj slik in en Java program. Uporabljali so binarno kodo. Skupna količina podatkov je bila 658 kilobajtov. Ugotovljeno je bilo, da je gostota informacij skoraj 1018 bajtov na gram molekul. Za primerjavo, 1012-bajtni trdi disk tehta približno sto gramov. Glavna pomanjkljivost te metode je nestabilnost zapisanih informacij.
»Molekula DNK se ponavadi mutira, kar zmanjšuje zanesljivost shranjevanja podatkov. Še posebej, če je nosilec DNK živa celica, ki jo je mogoče deliti: kadar se DNK podvaja, se napake plazijo še posebej pogosto. Zanesljivost shranjevanja podatkov se bo povečala, če imate na tisoče kopij istega sporočila. Ali preprosto shranite DNK, recimo, v zamrzovalnik. Pri nizkih temperaturah se sposobnost molekule, da mutira, znatno zmanjša, pojasnjuje strokovnjak.
Poleg tega se informacije ob branju včasih izgubijo. Napake so lahko kemične narave, če je na element pritrjena napačna podlaga, ali pa čisto izračunane, torej glede na računalnik.
Draga, zanesljiva
Revija Science je marca 2017 objavila članek ameriških znanstvenikov, ki jim je uspelo napisati 2 * 1017 bajtov na gram DNK. Biologi poudarjajo, da niso izgubili niti enega bajta. Preprosto povedano, to, kar smo posneli, je tisto, kar smo dobili na izhodu.
Za navadnega uporabnika "genetski bliskovni pogon" še ni na voljo, saj je shranjevanje informacij na njem zelo drago, hitrost branja / pisanja pa nizka. Znanstveniki ocenjujejo, da branje le enega megabajta zahteva približno tri in pol tisoč dolarjev in nekaj ur časa.
Nedvomne prednosti snemanja informacij o DNK vključujejo ogromno gostoto podatkov, pa tudi stabilnost nosilca - vendar le pri nizkih temperaturah.