จีโนมเป็นที่เก็บข้อมูล: อย่างไรและทำไมจึงต้องจัดเก็บข้อมูลในDNA

ข้อมูลอะไรอยู่ใน DNA

DNA คือลำดับของนิวคลีโอไทด์ มีเพียงสี่เท่านั้น:

• อะดีนีน,
• กัวนีน,
• ทิมิน
• ไซโตซีน

ในการเข้ารหัสข้อมูล แต่ละรายการจะได้รับรหัสหลัก ตัวอย่างเช่น thymine - 0, guanine - 1, adenine - 2, cytosine - 3

ลำดับนิวคลีโอไทด์ช่วยให้ข้อมูล "เข้ารหัส" เกี่ยวกับ RNA ประเภทต่างๆ RNA ทุกประเภทเหล่านี้ถูกสังเคราะห์บนเทมเพลต DNA โดยการคัดลอกลำดับ DNA ไปเป็นลำดับ RNA ที่สังเคราะห์ในระหว่างกระบวนการถอดรหัสและมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โปรตีนทางชีวภาพ (กระบวนการแปล)

นอกเหนือจากลำดับการเข้ารหัสแล้ว DNA ของเซลล์มีลำดับที่ทำหน้าที่กำกับดูแลและโครงสร้าง นอกจากนี้ จีโนมของยูคาริโอตมักประกอบด้วยบริเวณที่เป็นของ "ปรสิตทางพันธุกรรม" เช่น transposons

การเข้ารหัสเริ่มต้นด้วยความจริงที่ว่าตัวอักษรทั้งหมดตัวเลขและรูปภาพจะถูกแปลงเป็นรหัสไบนารี นั่นคือ ลำดับของศูนย์และหนึ่ง และพวกมันถูกแปลงเป็นลำดับของนิวคลีโอไทด์ นั่นคือ รหัสควอเทอร์นารี

มีหลายวิธีในการอ่าน DNAเทคนิคที่พบบ่อยที่สุดคือสายโซ่ของโมเลกุลดีเอ็นเอถูกคัดลอกโดยใช้เบส ซึ่งแต่ละสายมีเครื่องหมายสี จากนั้นเครื่องตรวจจับที่มีความละเอียดอ่อนมากจะอ่านข้อมูล และคอมพิวเตอร์ใช้สีเพื่อสร้างลำดับนิวคลีโอไทด์ขึ้นใหม่

ข้อมูลใหม่ปรากฏใน DNA อย่างไร

ซึ่งทำได้โดยใช้เทคโนโลยี CRISPR-Cas9 หรือที่เรียกว่ากรรไกรทางพันธุกรรม ได้รับการพัฒนาเมื่อแปดปีที่แล้วและได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2020

ก่อนหน้านี้จำเป็นต้องบันทึกข้อมูลเป็นเวลานานและด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์พิเศษ อย่างไรก็ตาม ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้ทำให้กระบวนการนี้เป็นไปโดยอัตโนมัติ

เราจัดการสอนเซลล์ให้พูดคุยกับคอมพิวเตอร์ผ่านสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์และดาวน์โหลดข้อมูลจากสื่ออิเล็กทรอนิกส์ใดๆ

แฮร์ริส หวัง ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาเชิงระบบ

ผู้เขียนอธิบายว่าพวกเขากำลังแปลไบนารีโปรแกรมคอมพิวเตอร์เป็นแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่ส่งไปยังเซลล์ บนพื้นผิวของมัน มีตัวรับที่รับรู้สัญญาณเหล่านี้และแปลเป็นภาษาของ DNA แล้ว ซึ่งจะสร้างลำดับจีโนมที่ต้องการโดยอัตโนมัติ

เป็นผลให้สิ่งต่อไปนี้ถูกเพิ่มเข้าไปในสายโซ่ DNAเรียกว่ารถพ่วงหรือชิ้นส่วนพิเศษ ต่างจากข้อมูลคอมพิวเตอร์ดิจิทัล มันคือชุดของตัวอักษรของรหัสพันธุกรรม นั่นคือ รหัสแอนะล็อก ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงเปรียบเทียบส่วนนี้กับเทปแม่เหล็ก

ปฏิกิริยาของปัจจัยการถอดรหัส STAT3 กับ DNA (แสดงเป็นเกลียวสีน้ำเงิน)

สามารถบันทึกข้อมูลลงใน DNA ได้มากน้อยเพียงใด

การใช้เทคโนโลยีพนักงานใหม่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียสามารถเข้ารหัสและอ่านข้อมูลได้ 2.14 เมกะไบต์ ความหนาแน่นในการบันทึกทางกายภาพขั้นสุดท้ายคือ 215,000,000 กิกะไบต์ต่อกรัมของกรดนิวคลีอิก

เกลียวดีเอ็นเอรูปแบบ B หนึ่งรอบมีประมาณ 10 คู่เบส หนึ่งในเธรดจะถูกเข้ารหัสเพราะ อันที่สองจะฟรีจากอันแรกเสมอ

ดังนั้นจึงมี 10 เซลล์ ซึ่งแต่ละเซลล์สามารถมีตัวอักษรหนึ่งในสี่ตัวได้:

• เอ,
• ที,
• กรัม
• ท.

เมื่อใช้ควอเทอร์นารีหรือไบนารีความหนาแน่นของการเข้ารหัสของการเข้ารหัสข้อมูลใน DNA คือ 2 บิตต่อเซลล์ นั่นคือ 20 บิตต่อรอบของเกลียว ซึ่งมีขนาดเส้นตรงซึ่งมีปริมาตรประมาณ 3.4 นาโนเมตร ~11 ลูกบาศก์นาโนเมตรคือค่าที่สามารถเขียนลงไปได้ 

วันนี้ เป็นไปได้ที่จะสร้างโปรเซสเซอร์ที่ 1 บิตเขียนด้วย 10 นาโนเมตร ดังนั้นใน DNA ตามมิติเชิงเส้น จึงสามารถบันทึกข้อมูลได้มากกว่า 60 เท่า

การบันทึกข้อมูลบน DNA เชื่อถือได้เพียงใด

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2560 นิตยสาร Science ตีพิมพ์บทความโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ซึ่งสามารถบันทึกข้อมูลขนาด 2*1,017 ไบต์ต่อกรัมของ DNA นักชีววิทยาย้ำว่าพวกเขาไม่ได้สูญเสียไบต์ไปแม้แต่ไบต์เดียว 

ข้อดีที่ไม่ต้องสงสัยของการบันทึกข้อมูลบน DNA ได้แก่ ความหนาแน่นของการจัดเก็บข้อมูลมหาศาล เช่นเดียวกับความเสถียรของตัวพา - แม้ว่าจะอยู่ในอุณหภูมิต่ำเท่านั้น

ใน DNA ข้อมูลจะถูกบันทึกในรูปแบบอะนาล็อกสามมิติและนี่คือรูปแบบที่มั่นคงที่สุด ในรูปแบบนี้ ข้อมูลสามารถเก็บไว้ได้นับแสนหรือหลายล้านปี Harris Wang ศาสตราจารย์วิชาชีววิทยาระบบ กล่าว

ข้อสรุป

แม้จะมีข้อดีทั้งหมดก็ตามเทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลเกี่ยวกับ DNA อยู่ในขั้นเริ่มต้นของการพัฒนา ในปัจจุบัน การสังเคราะห์ DNA ยังคงมีราคาแพงมาก ดังนั้นสำหรับข้อมูลหนึ่งเมกะไบต์ที่บันทึกไว้ใน "แฟลชไดรฟ์" DNA คุณจะต้องจ่ายเงินประมาณ 3.5 พันดอลลาร์

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้พัฒนาเทคโนโลยีนี้การถ่ายโอนข้อมูลจาก DNA โดยอัตโนมัติ สิ่งสำคัญคือต้องลดความซับซ้อนของวิธีการถ่ายโอนข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ไปยังเซลล์ ปัจจุบันนี้ใช้กระแสอิเล็กตรอน แต่ในอนาคตอาจถูกแทนที่ด้วยอย่างอื่นก็ได้

ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับหรืออุณหภูมิแวดล้อม หรือแม้แต่แสงธรรมดา - ท้ายที่สุดแล้ว สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีตัวรับแสง

อ่านเพิ่มเติม:

ภูเขาน้ำแข็งยักษ์ A74 ชนกับชายฝั่งแอนตาร์กติกา

ปลาฟันคนที่พบในสหรัฐอเมริกา

เห็บป่าจะถูกปล่อยออกมาเป็นพิเศษในรัสเซียเพื่อการควบคุมศัตรูพืช