Welche Informationen sind in der DNA?
DNA ist eine Folge von Nukleotiden. Es gibt nur vier davon:
- Adenin,
- Guanin,
- Timin,
- Cytosin.
Um Informationen zu verschlüsseln, wird jedem von ihnen ein Zifferncode zugewiesen. Zum Beispiel Thymin - 0, Guanin - 1, Adenin - 2, Cytosin - 3.
Die Nukleotidsequenz erlaubt„kodieren“ Informationen über verschiedene Arten von RNA. Alle diese Arten von RNA werden auf einer DNA-Vorlage synthetisiert, indem eine DNA-Sequenz in eine RNA-Sequenz kopiert wird, die während des Transkriptionsprozesses synthetisiert wird, und nehmen an der Proteinbiosynthese (Translationsprozess) teil.
Neben kodierenden Sequenzen ist die Zell-DNAenthält Sequenzen, die regulatorische und strukturelle Funktionen erfüllen. Darüber hinaus enthält das Genom von Eukaryoten häufig Regionen, die zu "genetischen Parasiten" gehören, beispielsweise Transposons.
Die Codierung beginnt damit, dass alle Buchstaben,Zahlen und Bilder werden in Binärcode, also eine Folge von Nullen und Einsen, umgewandelt, und sie werden bereits in eine Folge von Nukleotiden, also einen Quartärcode, umgewandelt.
Es gibt viele Möglichkeiten, DNA zu lesen.Die gebräuchlichste Technik ist, dass eine Kette von DNA-Molekülen unter Verwendung von Basen kopiert wird, von denen jede eine Farbmarkierung hat. Dann liest ein sehr empfindlicher Detektor die Daten aus und der Computer rekonstruiert anhand der Farben die Nukleotidsequenz.
Wie neue Informationen in der DNA erscheinen
Dies geschieht mithilfe der CRISPR-Cas9-Technologie, auch Genschere genannt. Es wurde vor acht Jahren entwickelt und erhielt 2020 den Nobelpreis für Chemie.
Früher war es notwendig, Informationen über lange Zeit und mit Hilfe spezieller Geräte aufzuzeichnen. Ein Team von Wissenschaftlern der Columbia University hat diesen Prozess jedoch automatisiert.
Wir haben es geschafft, Zellen beizubringen, mit einem Computer durch elektronische Signale zu kommunizieren und so Informationen von jedem elektronischen Medium herunterzuladen.
Harris Wang, Professor für Systembiologie
Die Autoren erklären, dass sie binäres übersetzenein Computerprogramm in elektrische Impulse um, die an die Zelle gesendet werden. Auf seiner Oberfläche befinden sich Rezeptoren, die diese Signale wahrnehmen und bereits in die Sprache der DNA übersetzen, wodurch automatisch die erforderliche Genomsequenz aufgebaut wird.
Als Ergebnis wird der DNA-Kette Folgendes hinzugefügt:Trailer oder Zusatzstück genannt. Im Gegensatz zu digitalen Computerinformationen handelt es sich um eine Reihe von Buchstaben des genetischen Codes, also um eine analoge Chiffre, daher vergleicht der Wissenschaftler dieses Segment mit einem Magnetband.
Interaktion des Transkriptionsfaktors STAT3 mit DNA (dargestellt als blaue Helix)
Wie viele Informationen können in DNA aufgezeichnet werden?
Einsatz neuer MitarbeitertechnologieDie Columbia University war in der Lage, 2,14 Megabyte an Informationen zu kodieren und zu lesen. Die endgültige physikalische Aufzeichnungsdichte betrug 215.000.000 Gigabyte pro Gramm Nukleinsäure.
Eine Windung der B-Form-DNA-Helix umfasst etwa 10 Basenpaare. Einer der Threads wird kodiert sein, weil Das Zweite ergänzt immer das Erste.
Somit gibt es 10 Zellen, die jeweils einen von vier Buchstaben enthalten können:
- A,
- T,
- G,
- Ts.
Bei Verwendung von quaternär oder binärDie Kodierungsdichte der in der DNA kodierten Informationen beträgt zwei Bits pro Zelle, das heißt 20 Bits pro Windung der Helix, deren lineare Größe etwa 3,4 Nanometer im Volumen beträgt. ~11 Kubiknanometer können aufgeschrieben werden.
Heute ist es möglich, Prozessoren zu erstellen, in denen 1 Bit in 10 Nanometern geschrieben wird. Somit ist es in der DNA möglich, basierend auf den linearen Dimensionen, etwa 60-mal mehr Informationen aufzunehmen.
Wie zuverlässig ist es, Informationen über DNA aufzuzeichnen?
Im März 2017 veröffentlichte das Science-Magazin einen Artikel amerikanischer Wissenschaftler, denen es gelang, 2*1017 Bytes pro Gramm DNA aufzuzeichnen. Biologen betonen, dass sie kein einziges Byte verloren haben.
Zu den unbestrittenen Vorteilen der Aufzeichnung von Informationen auf DNA zählen die enorme Speicherdichte der Daten sowie die Stabilität des Trägers – wenn auch nur bei niedrigen Temperaturen.
In der DNA werden Informationen in dreidimensionaler Analogie aufgezeichnetForm, und dies ist die stabilste Form. In dieser Form können Daten Hunderttausende oder sogar Millionen von Jahren gespeichert werden, sagte Harris Wang, Professor für Systembiologie
Fazit
Trotz aller Vorteile, AufnahmetechnikInformationen über DNA befinden sich im Anfangsstadium ihrer Entwicklung. Heutzutage ist die DNA-Synthese nach wie vor sehr teuer, sodass Sie für ein Megabyte an Daten, die auf einem DNA-„Flash-Laufwerk“ aufgezeichnet sind, etwa 3,5 Tausend Dollar bezahlen müssen.
Wissenschaftler müssen die Technologie noch entwickelnautomatische Übertragung von Informationen aus der DNA. Wichtig ist auch, die Art und Weise der Informationsübertragung vom Computer zur Zelle zu vereinfachen. Derzeit wird dafür ein Elektronenstrom genutzt, aber in Zukunft könnte er durch etwas anderes ersetzt werden.
Zum Beispiel ein magnetisches Wechselfeld oder die Umgebungstemperatur. Oder sogar ein gewöhnlicher Lichtstrahl – schließlich haben die meisten lebenden Organismen Photorezeptoren.
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