الجينوم كمستودع للمعلومات: كيف ولماذا يتم تخزين البيانات بشكل مصطنع في الحمض النووي

ما هي المعلومات الموجودة في الحمض النووي

الحمض النووي هو تسلسل من النيوكليوتيدات. لا يوجد سوى أربعة منهم:

• الأدينين,
• جوانين,
• تيمين,
• السيتوزين.

لتشفير المعلومات ، يتم تعيين رمز رقمي لكل منهم. على سبيل المثال ، الثايمين - 0 ، الجوانين - 1 ، الأدينين - 2 ، السيتوزين - 3.

يسمح تسلسل النوكليوتيدات"تشفير" المعلومات حول أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA)، يتم تصنيع كل هذه الأنواع من الحمض النووي الريبي (RNA) في قالب الحمض النووي (DNA) عن طريق نسخ تسلسل الحمض النووي (DNA) إلى تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يتم تصنيعه أثناء عملية النسخ، وتشارك في التخليق الحيوي للبروتين (عملية الترجمة).

بالإضافة إلى تسلسل الترميز ، DNA الخليةيحتوي على تسلسلات تؤدي وظائف تنظيمية وهيكلية. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يحتوي جينوم حقيقيات النوى على مناطق تنتمي إلى "طفيليات جينية" ، على سبيل المثال ، الينقولات.

يبدأ الترميز بحقيقة أن جميع الأحرف ،يتم تحويل الأرقام والصور إلى كود ثنائي ، أي سلسلة من الأصفار والآحاد ، وقد تم تحويلها بالفعل إلى سلسلة من النيوكليوتيدات ، أي رمز رباعي.

هناك طرق عديدة لقراءة الحمض النووي.الأسلوب الأكثر شيوعًا هو نسخ سلسلة من جزيئات الحمض النووي باستخدام القواعد ، ولكل منها علامة لونية. ثم يقوم كاشف حساس للغاية بقراءة البيانات ، ويستخدم الكمبيوتر الألوان لإعادة بناء تسلسل النوكليوتيدات.

كيف تظهر المعلومات الجديدة في الحمض النووي

ويتم ذلك باستخدام تقنية CRISPR-Cas9، والتي تسمى أيضًا بالمقص الجيني. وتم تطويره قبل ثماني سنوات وحصل على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020.

في السابق ، كان من الضروري تسجيل المعلومات لفترة طويلة وبمساعدة معدات خاصة. ومع ذلك ، قام فريق من العلماء من جامعة كولومبيا بأتمتة هذه العملية.

تمكنا من تعليم الخلايا التحدث إلى جهاز كمبيوتر من خلال الإشارات الإلكترونية وبالتالي تنزيل المعلومات من أي وسيط إلكتروني.

هاريس وانج، أستاذ بيولوجيا النظم

يوضح المؤلفون أنهم يترجمون الثنائيبرنامج كمبيوتر في النبضات الكهربائية التي يتم إرسالها إلى الخلية. توجد على سطحه مستقبلات تستقبل هذه الإشارات وتترجمها بالفعل إلى لغة الحمض النووي ، وتقوم تلقائيًا ببناء تسلسل الجينوم المطلوب.

نتيجة لذلك ، يضاف ما يلي إلى سلسلة الحمض النووييسمى مقطورة أو قطعة إضافية. على عكس معلومات الكمبيوتر الرقمية ، فهي عبارة عن مجموعة من أحرف الشفرة الوراثية ، أي تشفير تمثيلي ، لذلك يقارن العالم هذا الجزء بشريط مغناطيسي.

تفاعل عامل النسخ STAT3 مع الحمض النووي (يظهر على شكل حلزون أزرق)

كم المعلومات التي يمكن تسجيلها في الحمض النووي

استخدام تكنولوجيا الموظف الجديدتمكنت جامعة كولومبيا من تشفير وقراءة 2.14 ميجابايت من المعلومات. وكانت كثافة التسجيل الفعلي النهائية 215.000.000 جيجابايت لكل جرام من الحمض النووي.

تبلغ دورة واحدة من حلزون الحمض النووي ذو الشكل B حوالي 10 أزواج أساسية. سيتم ترميز أحد المواضيع بسبب والثاني دائمًا مكمل للأول.

وبالتالي هناك 10 خلايا، كل منها يمكن أن تحتوي على واحد من أربعة أحرف:

• أ،
• تي،
• ز،
• تس.

عند استخدام الرباعي أو الثنائيكثافة تشفير المعلومات المشفرة في الحمض النووي هي بتتان لكل خلية، أي 20 بت لكل دورة من الحلزون، ويبلغ حجمه الخطي حوالي 3.4 نانومتر في الحجم  ~11 نانومتر مكعب هو ما يمكن تدوينه. 

اليوم من الممكن إنشاء معالجات يتم فيها كتابة 1 بت في 10 نانومتر. وبالتالي ، في الحمض النووي ، بناءً على الأبعاد الخطية ، من الممكن تسجيل معلومات أكثر بحوالي 60 مرة.

ما مدى موثوقية تسجيل المعلومات عن الحمض النووي

في مارس 2017، نشرت مجلة Science مقالاً لعلماء أمريكيين تمكنوا من تسجيل 2*1017 بايت لكل جرام من الحمض النووي. يؤكد علماء الأحياء أنهم لم يفقدوا بايتًا واحدًا.

تشمل المزايا غير المشكوك فيها لتسجيل المعلومات على الحمض النووي كثافة تخزين البيانات الهائلة ، فضلاً عن استقرار الناقل - وإن كان ذلك فقط في درجات حرارة منخفضة.

في الحمض النووي، يتم تسجيل المعلومات في شكل تناظري ثلاثي الأبعادالشكل، وهذا هو الشكل الأكثر استقرارا. وقال أستاذ علم الأحياء النظمي هاريس وانغ، إنه في هذا الشكل، يمكن تخزين البيانات لمئات الآلاف، أو حتى ملايين السنين

استنتاج

رغم كل المزايا، تكنولوجيا التسجيلالمعلومات المتعلقة بالحمض النووي هي في المرحلة الأولى من تطورها. واليوم، لا يزال تخليق الحمض النووي مكلفًا للغاية، لذلك مقابل ميغابايت من البيانات المسجلة على "محرك أقراص فلاش" للحمض النووي، سيتعين عليك دفع حوالي 3.5 ألف دولار.

ولم يقم العلماء بعد بتطوير هذه التكنولوجياالنقل التلقائي للمعلومات من الحمض النووي. ومن المهم أيضًا تبسيط طريقة نقل المعلومات من الكمبيوتر إلى الخلية. حاليًا، يستخدم هذا تيارًا من الإلكترونات، ولكن في المستقبل يمكن استبداله بشيء آخر.

على سبيل المثال ، مجال مغناطيسي متناوب أو درجة حرارة محيطة. أو حتى شعاع ضوء عادي - فمعظم الكائنات الحية لها مستقبلات ضوئية.

قراءة المزيد:

يصطدم جبل الجليد العملاق A74 بساحل القارة القطبية الجنوبية

تم العثور على أسماك بأسنان بشرية في الولايات المتحدة

سيتم إطلاق القراد البري خصيصًا في روسيا لمكافحة الآفات