Digitālās informācijas apjoma pieaugums mudina zinātniekus meklēt kompaktākus veidus, kā to reģistrēt un saglabāt. Un kas varētu būt kompakts nekā DNS? RIA Novosti kopā ar ekspertu izdomāja, kā kodēt vārdus ar nukleotīdiem un cik daudz datu satur viena molekula.
Iemeslu kodi
DNS ir nukleotīdu secība. No tiem ir tikai četri: adenīns, guanīns, timīns, citozīns. Informācijas kodēšanai katram no viņiem tiek piešķirts ciparu kods. Piemēram, timīns - 0, guanīns - 1, adenīns - 2, citozīns - 3. Kodēšana sākas ar faktu, ka visi burti, cipari un attēli tiek pārveidoti binārā kodā, tas ir, nulles un viena secībā, un tie jau tiek pārveidoti par nukleotīdu secību, tas ir, par četrvērtīgu kodu.
Pirms datu kodēšanas DNS, jums tie jāpārveido ciparu kodā / RIA Novosti ilustrācijā. Alīna Poļjaņina.
Kodu (trīskāršā koda) veidošanai var izmantot tikai trīs nukleotīdus, bet ceturtais ir sekvenču sadalīšana daļās. Bāžu koda veidā ir iespēja izveidot pamatus, kad divi no tiem atbilst nullei, bet divi - vienam.
Lasīšanai tiek izmantotas vairākas tehnikas. Viens no visizplatītākajiem ir tas, ka DNS molekulas ķēde tiek kopēta, izmantojot bāzes, kurām katrai ir krāsu etiķete. Tad ļoti jutīgs detektors nolasa datus, un dators izmanto krāsas, lai rekonstruētu nukleotīdu secību.
“DNS molekula ir ļoti ietilpīga. Pat baktērijās tas parasti satur apmēram miljonu bāzu, bet cilvēkos - pat trīs miljardus. Tas ir, katra cilvēka šūna nes informācijas daudzumu, kas salīdzināms ar zibatmiņas diska ietilpību. Un mums ir triljoni šādu šūnu. DNS var ierakstīt milzīgu datu daudzumu, taču rakstīšana un lasīšana no šāda nesēja joprojām ir pārāk lēna un dārga,”saka Aleksandrs Pančins, bioloģijas doktors, Krievijas Zinātņu akadēmijas A. A. Harkeviča vārdā nosauktā Informācijas pārraides problēmu institūta vecākais pētnieks.
Reklāmas video:
Ierakstīšanas blīvums aug
1999. gada jūnijā žurnāls Nature publicēja amerikāņu zinātnieku rakstu, kurš izstrādāja slepenu ziņojumu sūtīšanas paņēmienu, izmantojot DNS. Viņi sintezēja molekulu, iekļaujot nukleotīdu secību, kas veidota, izmantojot kvartāra kodu. Slepenā DNS maisījumā tika nosūtīta uz citu laboratoriju. Tās darbinieki, izmantojot īpašas ķīmiskās atslēgas, atrada vajadzīgo molekulu un no tās ieguva informāciju.
“Kopumā datu reģistrēšanai uz DNS ir divas pieejas. Pirmais ir tad, kad sintezējat pilnīgi jaunu DNS, izmantojot ķīmisku sintezatoru. Pēc datora pavēles noteiktā secībā lēmumam tiek pievienoti nukleotīdi, un nepieciešamā bāzes ķēde pakāpeniski "aug". Otrajā gadījumā dati tiek kodēti jau esošajā organisma DNS,”skaidro Pančins.
Kreiga Ventera grupa, kas pirmo reizi kartēja cilvēka genomu, 2010. gada maijā publicēja rakstu par mākslīgās baktērijas izveidi. Viņi par pamatu paņēma no genoma attīrītu baktēriju šūnu un tur ievietoja izveidoto bāzes secību. Rezultāts ir jauna, diezgan aktīva un dzīva baktērija, kas atšķiras no parastās tikai ar to, ka tās DNS tika izveidots ar rokām. Turklāt komanda demonstrēja skaistuma izjūtu, rakstot savus vārdus un citātus no klasikas, izmantojot baktēriju DNS četrstūra kodu.
2012. gadā molekulārā biologa Džordža Baznīcas vadītā grupa izvēlējās rūpīgāku pieeju un ar DNS kodēja 52 000 vārdu vārdu grāmatu Regenesis: How Synthetic Biology Will Revent Nature and the sevi, vairākus attēlus un vienu Java programmu. Viņi izmantoja bināro kodu. Kopējais datu apjoms bija 658 kilobaiti. Tika atklāts, ka informācijas blīvums ir gandrīz 1018 baiti uz gramu molekulu. Salīdzinājumam - 1012 baitu cietais disks sver apmēram simts gramus. Šīs metodes galvenais trūkums ir reģistrētās informācijas nestabilitāte.
“DNS molekulai ir tendence mutēties, kas samazina datu glabāšanas uzticamību. It īpaši, ja DNS nesējs ir dzīva šūna, kas spēj dalīties: ja DNS tiek dublēts, kļūdas bieži rāpo. Datu glabāšanas uzticamība palielināsies, ja jums būs tūkstošiem viena ziņojuma eksemplāru. Vai arī vienkārši glabājiet DNS, teiksim, saldētavā. Zemā temperatūrā molekulas spēja mutēties ir ievērojami samazināta,”skaidro eksperts.
Turklāt lasot, informācija dažreiz tiek zaudēta. Kļūdas var būt ķīmiskas, ja elementam ir pievienota nepareiza pamatne vai tā tiek aprēķināta pilnībā, tas ir, atkarībā no datora.
Dārgi, uzticami
2017. gada martā žurnāls Science publicēja amerikāņu zinātnieku rakstu, kuram izdevās uzrakstīt 2 * 1017 baitus uz gramu DNS. Biologi uzsver, ka nav zaudējuši nevienu baitu. Vienkārši sakot, tas, ko mēs ierakstījām, ir tas, ko mēs ieguvām pie izejas.
Parastam lietotājam "ģenētiskais zibatmiņas disks" vēl nav pieejams, jo informācijas glabāšana tajā ir ļoti dārga, un lasīšanas / rakstīšanas ātrums ir mazs. Zinātnieki lēš, ka tikai viena megabaita nolasīšana prasa apmēram trīsarpus tūkstošus dolāru un vairākas stundas laika.
Neapšaubāmas priekšrocības, reģistrējot informāciju par DNS, ietver milzīgo datu glabāšanas blīvumu, kā arī nesēja stabilitāti - tomēr tikai zemā temperatūrā.