Genomul ca depozit de informații: cum și de ce să stocăm artificial date în ADN

Ce informații sunt în ADN

ADN-ul este o secvență de nucleotide. Există doar patru dintre ele:

  • adenină,
  • guanina,
  • timina,
  • citozină.

Pentru a codifica informații, fiecăruia dintre ei i se atribuie un cod de cifre. De exemplu, timina - 0, guanina - 1, adenina - 2, citozina - 3.

Secvența nucleotidelor permite„Codificați” informații despre diferite tipuri de ARN. Toate aceste tipuri de ARN sunt sintetizate pe un șablon de ADN prin copierea secvenței de ADN în secvența de ARN sintetizată în timpul procesului de transcripție și sunt implicate în biosinteza proteinelor (procesul de traducere).

Pe lângă secvențele de codificare, ADN-ul celularconține secvențe care îndeplinesc funcții de reglementare și structurale. În plus, genomul eucariotelor conține deseori regiuni aparținând „paraziților genetici”, de exemplu, transpozoni.

Codificarea începe cu faptul că toate literele,numerele și imaginile sunt convertite în cod binar, adică o secvență de zerouri și unii și sunt deja convertite într-o secvență de nucleotide, adică un cod cuaternar.

Există multe modalități de a citi ADN-ul.Cea mai obișnuită tehnică este aceea că un lanț de molecule de ADN este copiat folosind baze, fiecare dintre ele având o marcă de culoare. Apoi, un detector foarte sensibil citește datele, iar computerul folosește culorile pentru a reconstrui secvența nucleotidică.

Cum apar noi informații în ADN

Acest lucru se face folosind tehnologia CRISPR-Cas9, numită și foarfece genetice. A fost dezvoltat acum opt ani și a primit Premiul Nobel pentru chimie în 2020.

Anterior, era necesar să înregistrați informațiile pentru o lungă perioadă de timp și cu ajutorul unor echipamente speciale. Cu toate acestea, o echipă de oameni de știință de la Universitatea Columbia a automatizat acest proces.

Am reușit să învățăm celulele să vorbească cu un computer prin semnale electronice și astfel să descărcăm informații de pe orice mediu electronic.

Harris Wang, profesor de biologie a sistemelor

Autorii explică faptul că traduc traduceri binareun program de calculator ce permite utilizatorilor să administreze impulsuri electrice. La suprafața sa există receptori care percep aceste semnale și le traduc deja în limbajul ADN-ului, construind automat secvența genomică necesară.

Ca urmare, în lanțul ADN se adaugă următoarelenumită remorcă sau piesă suplimentară. Spre deosebire de informațiile digitale ale computerului, este un set de litere ale codului genetic, adică un cifru analogic, astfel că omul de știință compară acest segment cu o bandă magnetică.

Interacțiunea factorului de transcripție STAT3 cu ADN (prezentat ca helix albastru)

Cât de multe informații pot fi înregistrate în ADN

Cu ajutorul angajaților noilor tehnologiiUniversitatea Columbia a fost capabilă să codifice și să citească 2,14 megabytes de informații. Densitatea fizică finală de înregistrare a fost de 215 milioane de gigaocteți pe gram de acid nucleic.

O rotație a unei spirale ADN în formă B este de aproximativ 10 perechi de baze. Unul dintre fire va fi codarea. al doilea este întotdeauna complementar primului.

Astfel, există 10 celule, fiecare dintre care poate conține una din cele patru litere:

  • DAR,
  • T,
  • G,
  • Ts.

Când utilizați un cuaternar sau binardensitatea de codare a informațiilor de codare în ADN este de doi biți pe celulă, adică 20 de biți pe o revoluție a spiralei, a cărei dimensiune liniară este de aproximativ 3,4 nanometri cu un volum de ~ 11 nanometri cubi - aceasta este ceea ce poate fi notat .

Astăzi este posibil să se creeze procesoare în care 1 bit este scris în 10 nanometri. Astfel, în ADN, pe baza dimensiunilor liniare, este posibil să se înregistreze de aproximativ 60 de ori mai multe informații.

Cât de fiabil este să înregistrați informații despre ADN

În martie 2017, Science a publicat un articol al oamenilor de știință americani care au reușit să scrie 2 * 1017 octeți pe gram de ADN. Biologii subliniază că nu au pierdut niciun octet.

Avantajele neîndoielnice ale înregistrării informațiilor pe ADN includ densitatea enormă de stocare a datelor, precum și stabilitatea purtătorului - deși numai la temperaturi scăzute.

În ADN, informațiile sunt înregistrate într-un analog tridimensionalforma, și aceasta este cea mai stabilă formă. În această formă, datele pot fi stocate timp de sute de mii, dacă nu chiar milioane de ani, a spus profesorul de biologie a sistemelor Harris Wang.

concluzie

În ciuda tuturor avantajelor, tehnologia de înregistrareinformațiile despre ADN se află în stadiul inițial al dezvoltării sale. Astăzi, sinteza ADN-ului este încă foarte scumpă, așa că pentru un megabyte de date înregistrate pe o „unitate flash” ADN va trebui să plătiți aproximativ 3,5 mii de dolari.

Oamenii de știință nu au dezvoltat încă tehnologiatransmiterea automată a informațiilor din ADN. De asemenea, este important să simplificați modul în care informațiile sunt transferate de la computer la celulă. În zilele noastre, folosește un flux de electroni, dar în viitor poate fi înlocuit cu altceva.

De exemplu, un câmp magnetic alternativ sau temperatura ambiantă. Sau chiar o rază obișnuită de lumină - la urma urmei, majoritatea organismelor vii au fotoreceptori.

Citeste mai mult:

Aisbergul gigant A74 se ciocnește de coasta Antarcticii

Pești cu dinți umani găsiți în Statele Unite

Căpușele sălbatice vor fi eliberate special în Rusia pentru combaterea dăunătorilor