Digitaalse teabe mahu kasv ajendab teadlasi otsima kompaktsemaid viise selle salvestamiseks ja salvestamiseks. Ja mis võiks olla kompaktsem kui DNA? RIA Novosti mõtles koos eksperdiga välja, kuidas kodeerida sõnu nukleotiididega ja kui palju andmeid üks molekul sisaldab.
Põhjuste koodid
DNA on nukleotiidide jada. Neid on ainult neli: adeniin, guaniin, tümiin, tsütosiin. Teabe kodeerimiseks omistatakse igaühele numbrikood. Näiteks tümiin - 0, guaniin - 1, adeniin - 2, tsütosiin - 3. Kodeerimine algab sellest, et kõik tähed, numbrid ja kujutised teisendatakse binaarseks koodiks, see tähendab nullide ja nullide jadaks, ning need muundatakse juba nukleotiidide jadaks, see tähendab kvaternaarseks koodiks.
Enne andmete kodeerimist DNA-sse peate tõlkima need RIA Novosti digitaalseks koodiks / illustratsiooniks. Alina Polyanina.
Koodi (kolmekomponendiline kood) ehitamiseks saab kasutada ainult kolme nukleotiidi ja neljas on järjestuste osadeks jaotamine. Aluste konstrueerimisega kahendkoodi kujul on võimalus, kui kaks neist vastavad nullile ja kaks ühele.
Lugemiseks kasutatakse mitmeid tehnikaid. Üks levinumaid on see, et DNA molekuli ahelat kopeeritakse aluste abil, millest kõigil on värvimärk. Siis loeb andmeid väga tundlik detektor ja arvuti kasutab nukleotiidijärjestuse rekonstrueerimiseks värve.
“DNA molekul on väga mahukas. Isegi bakterites sisaldab see tavaliselt umbes miljonit alust ja inimestes koguni kolm miljardit alust. See tähendab, et igas inimese rakus on mälumahu mahuga võrreldav teave. Ja meil on triljoneid selliseid rakke. DNA-sse saab salvestada tohutul hulgal andmeid, kuid sellisest kandjast kirjutamine ja lugemine on endiselt liiga aeglane ja kulukas,”ütleb Venemaa Teaduste Akadeemia A. A. Kharkevitši nimelise teabe edastamise probleemide instituudi vanemteadur, doktor Aleksander Panchin.
Reklaamvideo:
Salvestustihedus kasvab
1999. aasta juunis avaldas ajakiri Nature Ameerika teadlaste artikli, mis töötas välja meetodi salajaste sõnumite saatmiseks DNA abil. Nad sünteesisid molekuli, lisades nukleotiidijärjestuse, mis moodustati kvaternaarse koodi abil. Segus olev salajane DNA saadeti teise laborisse. Selle töötajad leidsid spetsiaalsete keemiliste võtmete abil soovitud molekuli ja ekstraheerisid sellest teavet.
“Üldiselt on DNA andmete registreerimiseks kaks lähenemisviisi. Esimene on see, kui sünteesite keemilise süntesaatori abil täiesti uue DNA. Arvuti käsul lisatakse nukleotiidid lahusesse kindlas järjekorras ja nõutav põhiahel järk-järgult "kasvab". Teisel juhul kodeeritakse andmed organismi juba olemasolevas DNA-s,”selgitab Panchin.
2010. aasta mais avaldas Craig Venteri rühm, kes esmakordselt kaardistas inimese genoomi, paberi tehisliku bakteri loomise kohta. Nad võtsid aluseks genoomist puhastatud bakteriraku ja paigutasid sinna moodustatud alusjärjestuse. Tulemuseks on uus, üsna aktiivne ja elus bakter, mis erineb tavapärasest ainult selle poolest, et selle DNA loodi käsitsi. Lisaks demonstreeris meeskond ilutunnet, kirjutades oma nimed ja klassikute tsitaadid, kasutades bakteriaalse DNA-s kvaternaarset koodi.
Aastal 2012 asus molekulaarbioloog George Churchi juhitud grupp põhimõttelisemale lähenemisele ja DNA kodeeris 52 000-sõna raamatut Regenesis: How Synthetic Biology looduse ja meie endi jaoks, mitu pilti ja üks Java programm. Nad kasutasid binaarset koodi. Andmete kogumaht oli 658 kilobaiti. Teabe tihedus leiti olevat peaaegu 1018 baiti molekuli grammi kohta. Võrdluseks - 1012-baidine kõvaketas kaalub umbes sada grammi. Selle meetodi peamine puudus on salvestatud teabe ebastabiilsus.
“DNA molekul kipub muteeruma, mis vähendab andmete salvestamise usaldusväärsust. Eriti kui DNA kandja on jagunemisvõimeline rakk: kui DNA dubleeritakse, hiilivad vead eriti sageli. Andmete salvestamise usaldusväärsus suureneb, kui teil on samast sõnumist tuhandeid eksemplare. Või hoidke DNA-d lihtsalt sügavkülmas. Madalatel temperatuuridel väheneb molekuli võime muteeruda märkimisväärselt,”selgitab ekspert.
Lisaks kaob lugemisel teave mõnikord. Vigad võivad olla keemilised, kui elemendile on kinnitatud vale alus või see on arvutatud sõltuvalt arvutist.
Kallid, usaldusväärsed
2017. aasta märtsis avaldas ajakiri Science ameerika teadlaste artikli, kellel õnnestus kirjutada 2 * 1017 baiti DNA grammi kohta. Bioloogid rõhutavad, et nad pole kaotanud ühtki baiti. Lihtsamalt öeldes, see, mida me salvestasime, oli see, mille saime väljapääsu juures.
Tavakasutaja jaoks pole "geneetiline mälupulk" veel saadaval, kuna selle salvestamine on väga kallis ning lugemis- ja kirjutamiskiirus on väike. Teadlaste hinnangul nõuab vaid ühe megabaidi lugemine umbes kolm ja pool tuhat dollarit ning mitu tundi aega.
DNA-le teabe salvestamise vaieldamatuteks eelisteks on andmete tohutu salvestustihedus ja kandja stabiilsus - siiski ainult madalatel temperatuuridel.
