Creșterea volumului de informații digitale îi determină pe oamenii de știință să caute modalități mai compacte de înregistrare și stocare a acesteia. Și ce ar putea fi mai compact decât ADN-ul? RIA Novosti, împreună cu un expert, au dat seama cum să codifice cuvintele cu nucleotide și câte date conține o moleculă.
Motive-coduri
ADN-ul este o secvență de nucleotide. Există doar patru dintre ele: adenină, guanină, timină, citozină. Pentru a codifica informații, fiecăruia dintre ei i se atribuie un cod-cifră. De exemplu, timina - 0, guanina - 1, adenina - 2, citozina - 3. Codificarea începe cu faptul că toate literele, numerele și imaginile sunt convertite într-un cod binar, adică o secvență de zerouri și altele, iar acestea sunt deja transformate într-o secvență de nucleotide, adică un cod cuaternar.
Înainte de a codifica datele în ADN, trebuie să le traduceți într-un cod digital / Ilustrație de RIA Novosti. Alina Polyanina.
Doar trei nucleotide pot fi utilizate pentru a construi un cod (cod ternar), iar al patrulea este de a împărți secvențe în părți. Există o opțiune cu construcția bazelor sub forma unui cod binar, când două dintre ele corespund zero, iar două corespund unui.
Pentru citire se folosesc mai multe tehnici. Una dintre cele mai frecvente este că un lanț al unei molecule de ADN este copiat folosind baze, fiecare având o etichetă de culoare. Apoi, un detector foarte sensibil citește datele, iar computerul folosește culorile pentru a reconstrui secvența de nucleotide.
„Molecula de ADN este foarte capabilă. Chiar și în bacterii, acesta conține, de obicei, aproximativ un milion de baze, iar la oameni, până la trei miliarde. Adică, fiecare celulă umană poartă un volum de informații comparabil cu capacitatea unei unități flash. Și avem trilioane de astfel de celule. O cantitate imensă de date pot fi înregistrate în ADN, dar scrierea și citirea de pe un astfel de mediu este încă prea lentă și scumpă”, spune Alexander Panchin, doctor în biologie, cercetător principal la Institutul pentru Probleme de Transmisie a Informației, numit după A. A. Kharkevich, Academia Rusă de Științe.
Video promotional:
Densitatea înregistrării crește
În iunie 1999, revista Nature a publicat un articol al oamenilor de știință americani care au dezvoltat o tehnică pentru trimiterea de mesaje secrete folosind ADN. Ei au sintetizat o moleculă prin încorporarea unei secvențe de nucleotide formată folosind un cod cuaternar. ADN-ul secret din amestec a fost trimis la alt laborator. Angajații săi, folosind chei chimice speciale, au găsit molecula dorită și au extras informații din ea.
„În general, există două abordări pentru înregistrarea datelor pe ADN. Primul lucru este când sintetizați ADN complet nou folosind un sintetizator chimic. La comanda computerului, la soluție se adaugă nucleotide într-o anumită ordine, iar lanțul de bază necesar „crește” treptat. În cel de-al doilea caz, datele sunt codificate în ADN-ul existent al unui organism”, explică Panchin.
În mai 2010, grupul Craig Venter, care a cartografiat pentru prima dată genomul uman, a publicat o lucrare despre crearea unei bacterii artificiale. Au luat o celulă bacteriană purificată din genom ca bază și au plasat secvența de bază formată acolo. Rezultatul este o bacterie nouă, destul de activă și vie, care diferă de cea obișnuită doar prin faptul că ADN-ul său a fost creat manual. În plus, echipa a demonstrat un sentiment de frumusețe, scriindu-și numele și citatele din clasici folosind un cod cuaternar în ADN-ul bacterian.
În 2012, un grup condus de biologul molecular George Church a adoptat o abordare mai fundamentală și a codificat ADN-ul unei cărți de 52.000 de cuvinte Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves, mai multe imagini și un program Java. Au folosit cod binar. Cantitatea totală de date a fost de 658 kilobiți. Densitatea informațională sa dovedit a fi de aproape 1018 octeți per gram de molecule. Pentru comparație, un hard disk de 1012 biți cântărește aproximativ o sută de grame. Principalul dezavantaj al acestei metode este instabilitatea informațiilor înregistrate.
„Molecula de ADN tinde să mute, ceea ce reduce fiabilitatea stocării datelor. Mai ales dacă purtătorul ADN-ului este o celulă vie capabilă de diviziune: atunci când ADN-ul este duplicat, erorile se înghesuie mai ales. Fiabilitatea stocării datelor va crește dacă aveți mii de copii ale aceluiași mesaj. Sau doar păstrați ADN-ul, să zicem, în congelator. La temperaturi scăzute, capacitatea unei molecule de a muta este redusă semnificativ , explică expertul.
În plus, informațiile se pierd uneori la citire. Erorile pot fi de natură chimică, atunci când o bază incorectă este atașată la un element, sau pur calculată, adică în funcție de computer.
Scump, de încredere
În martie 2017, revista Science a publicat un articol al oamenilor de știință americani care au reușit să scrie 2 * 1017 octeți per gram de ADN. Biologii subliniază că nu au pierdut un singur octet. Mai simplu spus, ceea ce am înregistrat este ceea ce am primit la ieșire.
Pentru un utilizator obișnuit, o „unitate flash genetică” nu este încă disponibilă, deoarece este foarte scump să stochezi informații pe ea, iar viteza de citire / scriere este scăzută. Oamenii de știință estimează că citirea unui singur megabyte necesită aproximativ trei mii și jumătate de dolari și câteva ore de timp.
Avantajele incontestabile ale înregistrării informațiilor pe ADN includ densitatea imensă de stocare a datelor, precum și stabilitatea purtătorului - deși numai la temperaturi scăzute.
