Τι πληροφορίες υπάρχουν στο DNA
Το DNA είναι μια αλληλουχία νουκλεοτιδίων. Υπάρχουν μόνο τέσσερις από αυτές:
- αδενίνη,
- γουανίνη,
- Τιμίν,
- κυτοσίνη.
Για κωδικοποίηση πληροφοριών, σε καθένα από αυτά εκχωρείται ένας ψηφιακός κωδικός. Για παράδειγμα, θυμίνη - 0, γουανίνη - 1, αδενίνη - 2, κυτοσίνη - 3.
Η νουκλεοτιδική αλληλουχία επιτρέπει«κωδικοποιούν» πληροφορίες σχετικά με διαφορετικούς τύπους RNA. Όλοι αυτοί οι τύποι RNA συντίθενται σε ένα πρότυπο DNA αντιγράφοντας μια αλληλουχία DNA σε μια αλληλουχία RNA που συντίθεται κατά τη διαδικασία μεταγραφής και συμμετέχουν στη βιοσύνθεση πρωτεϊνών (διαδικασία μετάφρασης).
Εκτός από τις αλληλουχίες κωδικοποίησης, το DNA των κυττάρωνπεριέχει ακολουθίες που εκτελούν ρυθμιστικές και δομικές λειτουργίες. Επιπλέον, το γονιδίωμα των ευκαρυωτικών συχνά περιέχει περιοχές που ανήκουν σε "γενετικά παράσιτα", για παράδειγμα, τρανσποζόνια.
Η κωδικοποίηση ξεκινά με το γεγονός ότι όλα τα γράμματα,οι αριθμοί και οι εικόνες μετατρέπονται σε δυαδικό κώδικα, δηλαδή μια ακολουθία μηδενικών και μονάδων και μετατρέπονται ήδη σε μια ακολουθία νουκλεοτιδίων, δηλαδή έναν τεταρτοταγή κώδικα.
Υπάρχουν πολλοί τρόποι για να διαβάσετε το DNA.Η πιο συνηθισμένη τεχνική είναι ότι μια αλυσίδα μορίων DNA αντιγράφεται χρησιμοποιώντας βάσεις, καθεμία από τις οποίες έχει ένα χρώμα. Στη συνέχεια, ένας πολύ ευαίσθητος ανιχνευτής διαβάζει τα δεδομένα και ο υπολογιστής χρησιμοποιεί τα χρώματα για να ανασυνθέσει τη νουκλεοτιδική αλληλουχία.
Πώς εμφανίζονται νέες πληροφορίες στο DNA
Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία CRISPR-Cas9, που ονομάζεται επίσης γενετικό ψαλίδι. Αναπτύχθηκε πριν από οκτώ χρόνια και τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας 2020.
Προηγουμένως, ήταν απαραίτητο να καταγραφούν πληροφορίες για μεγάλο χρονικό διάστημα και με τη βοήθεια ειδικού εξοπλισμού. Ωστόσο, μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Κολούμπια αυτοματοποίησε αυτή τη διαδικασία.
Καταφέραμε να διδάξουμε τα κύτταρα να μιλούν με έναν υπολογιστή μέσω ηλεκτρονικών σημάτων και έτσι να κατεβάζουν πληροφορίες από οποιοδήποτε ηλεκτρονικό μέσο.
Χάρις Γουάνγκ, καθηγητής βιολογίας συστημάτων
Οι συγγραφείς εξηγούν ότι μεταφράζουν δυαδικάένα πρόγραμμα υπολογιστή σε ηλεκτρικούς παλμούς που αποστέλλονται στο κελί. Στην επιφάνειά του υπάρχουν υποδοχείς που αντιλαμβάνονται αυτά τα σήματα και τα μεταφράζουν ήδη στη γλώσσα του DNA, χτίζοντας αυτόματα την απαιτούμενη αλληλουχία γονιδιώματος.
Ως αποτέλεσμα, τα ακόλουθα προστίθενται στην αλυσίδα DNAπου ονομάζεται τρέιλερ ή επιπλέον κομμάτι. Σε αντίθεση με τις ψηφιακές πληροφορίες υπολογιστή, είναι ένα σύνολο γραμμάτων του γενετικού κώδικα, δηλαδή ενός αναλογικού κρυπτογράφου, οπότε ο επιστήμονας συγκρίνει αυτό το τμήμα με μια μαγνητική ταινία.
Αλληλεπίδραση του παράγοντα μεταγραφής STAT3 με το DNA (εμφανίζεται ως μπλε έλικα)
Πόσες πληροφορίες μπορούν να καταγραφούν στο DNA
Χρήση νέας τεχνολογίας εργαζομένωνΤο Πανεπιστήμιο Κολούμπια μπόρεσε να κωδικοποιήσει και να διαβάσει 2,14 megabyte πληροφοριών. Η τελική φυσική πυκνότητα καταγραφής ήταν 215.000.000 gigabyte ανά γραμμάριο νουκλεϊκού οξέος.
Μία στροφή της έλικας DNA της μορφής Β είναι περίπου 10 ζεύγη βάσεων. Ένα από τα νήματα θα κωδικοποιεί επειδή το δεύτερο είναι πάντα συμπληρωματικό του πρώτου.
Έτσι υπάρχουν 10 κελιά, καθένα από τα οποία μπορεί να περιέχει ένα από τα τέσσερα γράμματα:
- ΕΝΑ,
- Τ,
- ΣΟΛ,
- Τσ.
Όταν χρησιμοποιείται τεταρτοταγής ή δυαδικόςΗ πυκνότητα κωδικοποίησης των πληροφοριών που κωδικοποιούν στο DNA είναι δύο bit ανά κύτταρο, δηλαδή 20 bit ανά στροφή της έλικας, το γραμμικό μέγεθος της οποίας είναι περίπου 3,4 νανόμετρα σε όγκο ~11 κυβικά νανόμετρα είναι αυτό που μπορεί να γραφτεί.
Σήμερα είναι δυνατή η δημιουργία επεξεργαστών στους οποίους γράφεται 1 bit σε 10 νανόμετρα. Έτσι, στο DNA, με βάση τις γραμμικές διαστάσεις, είναι δυνατή η καταγραφή περίπου 60 φορές περισσότερων πληροφοριών.
Πόσο αξιόπιστη είναι η καταγραφή πληροφοριών σχετικά με το DNA
Τον Μάρτιο του 2017, το περιοδικό Science δημοσίευσε ένα άρθρο Αμερικανών επιστημόνων που κατάφεραν να καταγράψουν 2*1017 byte ανά γραμμάριο DNA. Οι βιολόγοι τονίζουν ότι δεν έχουν χάσει ούτε ένα byte.
Τα αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα της καταγραφής πληροφοριών σχετικά με το DNA περιλαμβάνουν την τεράστια πυκνότητα αποθήκευσης δεδομένων, καθώς και τη σταθερότητα του φορέα - αν και μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Στο DNA, οι πληροφορίες καταγράφονται σε τρισδιάστατο αναλογικόμορφή, και αυτή είναι η πιο σταθερή μορφή. Σε αυτή τη μορφή, τα δεδομένα μπορούν να αποθηκευτούν για εκατοντάδες χιλιάδες, ακόμη και εκατομμύρια χρόνια, δήλωσε ο καθηγητής Βιολογίας Συστημάτων Χάρις Γουάνγκ.
Συμπέρασμα
Παρά όλα τα πλεονεκτήματα, η τεχνολογία εγγραφήςΟι πληροφορίες για το DNA βρίσκονται στο αρχικό στάδιο της ανάπτυξής του. Σήμερα, η σύνθεση DNA παραμένει πολύ ακριβή, επομένως για ένα megabyte δεδομένων που καταγράφονται σε μια «μονάδα flash» DNA θα πρέπει να πληρώσετε περίπου 3,5 χιλιάδες δολάρια.
Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη αναπτύξει την τεχνολογίααυτόματη μεταφορά πληροφοριών από το DNA. Είναι επίσης σημαντικό να απλοποιηθεί ο τρόπος μεταφοράς πληροφοριών από τον υπολογιστή στο κελί. Επί του παρόντος, αυτό χρησιμοποιεί ένα ρεύμα ηλεκτρονίων, αλλά στο μέλλον θα μπορούσε να αντικατασταθεί από κάτι άλλο.
Για παράδειγμα, εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ή θερμοκρασία περιβάλλοντος. Even ακόμα και μια συνηθισμένη ακτίνα φωτός - άλλωστε, οι περισσότεροι ζωντανοί οργανισμοί έχουν φωτοϋποδοχείς.
Διαβάστε περισσότερα:
Το γιγαντιαίο παγόβουνο A74 συγκρούεται με τις ακτές της Ανταρκτικής
Fάρια με ανθρώπινα δόντια βρέθηκαν στις Ηνωμένες Πολιτείες
Τα άγρια τσιμπούρια θα κυκλοφορήσουν ειδικά στη Ρωσία για έλεγχο παρασίτων