Rast volumena digitalnih informacija natjera znanstvenike da traže kompaktnije načine snimanja i pohrane. A što može biti kompaktnije od DNK? RIA Novosti, zajedno sa stručnjakom, smislila je kako kodirati riječi nukleotidima i koliko podataka sadrži jedna molekula.
Razlozi-kodovi
DNK je niz nukleotida. Ima ih samo četiri: adenin, gvanin, timin, citozin. Za kodiranje podataka svakom je od njih dodijeljen znamenki kod. Na primjer, timin - 0, gvanin - 1, adenin - 2, citozin - 3. Kodiranje započinje činjenicom da se sva slova, brojevi i slike pretvaraju u binarni kod, odnosno slijed nula i one, a oni se već pretvaraju u slijed nukleotida, to jest u kvartarni kod.
Prije nego što kodirate podatke u DNK, morate ih prevesti u digitalni kod / Ilustracija RIA Novosti. Alina Polyanina.
Samo tri nukleotida mogu se koristiti za izgradnju koda (ternarni kod), a četvrti je za razbijanje niza u dijelove. Postoji opcija s izgradnjom baza u obliku binarnog koda, kada dvije od njih odgovaraju nuli, a dvije odgovaraju jednoj.
Za čitanje se koristi nekoliko tehnika. Jedna od najčešćih je da se lanac DNA molekule kopira pomoću baza, od kojih svaka ima oznaku u boji. Tada vrlo osjetljiv detektor čita podatke, a računalo koristi boje za rekonstrukciju nukleotidnog slijeda.
Molekul DNK vrlo je prostran. Čak i u bakterijama, obično sadrži oko milijun baza, a u ljudima čak tri milijarde. Odnosno, svaka ljudska stanica nosi količinu informacija uporedivu sa kapacitetom flash pogona. A mi imamo trilijune takvih ćelija. Ogromna količina podataka može se zabilježiti u DNK, ali pisanje i čitanje iz takvog medija i dalje je presporo i skupo “, kaže Alexander Panchin, doktor znanosti, viši istraživač u Institutu za probleme prenosa informacija nazvanog A. A. Kharkevich, Ruska akademija znanosti.
Promotivni video:
Gustoća snimanja raste
U lipnju 1999. godine časopis Nature objavio je članak američkih znanstvenika koji je razvio tehniku slanja tajnih poruka pomoću DNK. Oni su sintetizirali molekulu inkorporirajući nukleotidnu sekvencu koja je formirana korištenjem kvartarnog koda. Tajna DNA u smjesi poslana je u drugi laboratorij. Zaposlenici su pomoću posebnih kemijskih ključeva pronašli željenu molekulu i iz nje izvukli informacije.
"Općenito, postoje dva pristupa snimanja podataka o DNK. Prvi je kada sintetizirate potpuno novi DNK pomoću kemijskog sintisajzera. Na naredbu računala, nukleotidi se dodaju otopini određenim redoslijedom, a potrebni bazni lanac postupno "raste". U drugom slučaju, podaci su kodirani u već postojećoj DNK organizma “, objašnjava Panchin.
U svibnju 2010., grupa Craig Venter, koja je prvi preslikala ljudski genom, objavila je rad o stvaranju umjetne bakterije. Kao osnovu uzeli su bakterijsku stanicu očišćenu iz genoma i tamo postavili formirani slijed baza. Rezultat je nova bakterija, prilično aktivna i živa, koja se od uobičajene razlikuje samo po tome što je njezin DNK stvoren rukom. Pored toga, tim je pokazao osjećaj ljepote pišući njihova imena i citate klasika koristeći kvartni kod u DNK bakterije.
Godine 2012. skupina koju je vodio molekularni biolog George Church uzela je temeljitiji pristup i DNK-om dala 52.000 riječi knjigu Regenesis: How Synthetic Biology Reinvent Nature andself, nekoliko slika i jedan Java program. Koristili su binarni kod. Ukupna količina podataka iznosila je 658 kilobajta. Nađeno je da gustoća informacija iznosi gotovo 1018 bajta na gram molekula. Za usporedbu, tvrdi disk od 1012 bajta težak je stotinu grama. Glavni nedostatak ove metode je nestabilnost snimljenih podataka.
„Molekula DNK ima tendenciju mutiranja, što smanjuje pouzdanost pohrane podataka. Naročito ako je nosač DNK živa stanica sposobna dijeliti se: kad se DNK duplicira, pogreške često pužu. Pouzdanost pohrane podataka povećavat će se ako imate tisuće primjeraka iste poruke. Ili jednostavno pohranite DNK, recimo, u zamrzivač. Pri niskim temperaturama sposobnost molekule da mutira je značajno smanjena”, objašnjava stručnjak.
Osim toga, informacije se ponekad izgube prilikom čitanja. Pogreške mogu biti kemijske prirode, kada je na element pričvršćena pogrešna baza, ili čisto izračunati, to jest, ovisno o računalu.
Skupo, pouzdano
U ožujku 2017. časopis Science objavio je članak američkih znanstvenika koji su uspjeli napisati 2 * 1017 bajta po gramu DNK. Biolozi naglašavaju da nisu izgubili niti jedan bajt. Jednostavno rečeno, ono što smo zabilježili je ono što smo dobili na izlazu.
Običnom korisniku još uvijek nije dostupan "genetski bljesak", jer je pohranjivanje podataka na njega vrlo skupo, a brzina čitanja / pisanja mala. Znanstvenici procjenjuju da je za čitanje samo jednog megabajta potrebno oko tri i pol tisuće dolara i nekoliko sati vremena.
Nesporne prednosti snimanja podataka o DNK uključuju ogromnu gustoću podataka, kao i stabilnost nosača - međutim, samo na niskim temperaturama.