Das zunehmende Volumen digitaler Informationen veranlasst Wissenschaftler, nach kompakteren Möglichkeiten zur Aufzeichnung und Speicherung zu suchen. Und was könnte kompakter sein als DNA? RIA Novosti hat zusammen mit einem Experten herausgefunden, wie Wörter mit Nukleotiden codiert werden und wie viele Daten ein Molekül enthält.
Ursachencodes
DNA ist eine Sequenz von Nukleotiden. Es gibt nur vier davon: Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin. Um Informationen zu codieren, wird jedem von ihnen ein Zifferncode zugewiesen. Zum Beispiel Thymin - 0, Guanin - 1, Adenin - 2, Cytosin - 3. Die Codierung beginnt mit der Tatsache, dass alle Buchstaben, Zahlen und Bilder in einen Binärcode, dh eine Folge von Nullen und Einsen, umgewandelt werden und bereits in eine Folge von Nukleotiden, dh einen quaternären Code, umgewandelt werden.
Bevor Sie die Daten in DNA kodieren, müssen Sie sie in einen digitalen Code / eine Illustration von RIA Novosti übersetzen. Alina Polyanina.
Es können nur drei Nukleotide verwendet werden, um einen Code (ternären Code) zu erstellen, und der vierte besteht darin, Sequenzen in Teile zu zerlegen. Es gibt eine Option beim Aufbau von Basen in Form eines Binärcodes, wenn zwei davon Null und zwei Eins entsprechen.
Zum Lesen werden verschiedene Techniken verwendet. Eine der häufigsten ist, dass eine Kette eines DNA-Moleküls unter Verwendung von Basen kopiert wird, von denen jede eine Farbbezeichnung aufweist. Dann liest ein sehr empfindlicher Detektor die Daten und der Computer verwendet die Farben, um die Nukleotidsequenz zu rekonstruieren.
„Das DNA-Molekül ist sehr geräumig. Selbst in Bakterien enthält es normalerweise etwa eine Million Basen und beim Menschen sogar drei Milliarden. Das heißt, jede menschliche Zelle enthält ein Informationsvolumen, das mit der Kapazität eines Flash-Laufwerks vergleichbar ist. Und wir haben Billionen solcher Zellen. Eine große Menge von Daten kann in DNA aufgezeichnet werden, aber das Schreiben und Lesen von einem solchen Medium ist immer noch zu langsam und kostspielig “, sagt Alexander Panchin, Ph. D., leitender Forscher am Institut für Informationsübertragungsprobleme, benannt nach A. A. Kharkevich, Russische Akademie der Wissenschaften.
Werbevideo:
Die Aufnahmedichte wächst
Im Juni 1999 veröffentlichte die Zeitschrift Nature einen Artikel amerikanischer Wissenschaftler, die eine Technik zum Versenden geheimer Nachrichten mithilfe von DNA entwickelten. Sie synthetisierten ein Molekül durch Einbau einer Nukleotidsequenz, die unter Verwendung eines quaternären Codes gebildet wurde. Die geheime DNA in der Mischung wurde an ein anderes Labor geschickt. Die Mitarbeiter fanden mithilfe spezieller chemischer Schlüssel das gewünschte Molekül und extrahierten Informationen daraus.
„Im Allgemeinen gibt es zwei Ansätze, um Daten auf DNA aufzuzeichnen. Das erste ist, wenn Sie mit einem chemischen Synthesizer völlig neue DNA synthetisieren. Auf Befehl des Computers werden der Lösung Nukleotide in einer bestimmten Reihenfolge hinzugefügt, und die erforderliche Basenkette "wächst" allmählich. Im zweiten Fall werden Daten in der bereits vorhandenen DNA eines Organismus kodiert “, erklärt Panchin.
Im Mai 2010 veröffentlichte die Gruppe von Craig Venter, der erstmals das menschliche Genom kartierte, ein Papier über die Entstehung eines künstlichen Bakteriums. Sie nahmen eine aus dem Genom gereinigte Bakterienzelle als Basis und platzierten dort die gebildete Basensequenz. Das Ergebnis ist ein neues Bakterium, ziemlich aktiv und lebendig, das sich vom Üblichen nur dadurch unterscheidet, dass seine DNA von Hand hergestellt wurde. Darüber hinaus demonstrierte das Team einen Sinn für Schönheit, indem es ihre Namen und Zitate von Klassikern unter Verwendung eines quaternären Codes in der bakteriellen DNA schrieb.
Im Jahr 2012 verfolgte eine Gruppe unter der Leitung des Molekularbiologen George Church einen gründlicheren Ansatz und codierte ein 52.000 Wörter umfassendes Buch Regenesis: Wie die synthetische Biologie die Natur und uns selbst neu erfinden wird, mehrere Bilder und ein Java-Programm. Sie verwendeten Binärcode. Die Gesamtdatenmenge betrug 658 Kilobyte. Die Informationsdichte betrug fast 1018 Bytes pro Gramm Moleküle. Zum Vergleich: Eine 1012-Byte-Festplatte wiegt etwa hundert Gramm. Der Hauptnachteil dieser Methode ist die Instabilität der aufgezeichneten Informationen.
„Das DNA-Molekül neigt zur Mutation, was die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung verringert. Besonders wenn der DNA-Träger eine lebende Zelle ist, die sich teilen kann: Wenn DNA dupliziert wird, schleichen sich besonders häufig Fehler ein. Die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung erhöht sich, wenn Sie Tausende von Kopien derselben Nachricht haben. Oder lagern Sie die DNA einfach im Gefrierschrank. Bei niedrigen Temperaturen ist die Mutationsfähigkeit eines Moleküls erheblich verringert “, erklärt der Experte.
Außerdem gehen beim Lesen manchmal Informationen verloren. Fehler können chemischer Natur sein, wenn eine falsche Basis an einem Element angebracht oder rein berechnet ist, dh je nach Computer.
Teuer, zuverlässig
Im März 2017 veröffentlichte das Wissenschaftsmagazin einen Artikel amerikanischer Wissenschaftler, denen es gelang, 2 * 1017 Bytes pro Gramm DNA zu schreiben. Biologen betonen, dass sie kein einziges Byte verloren haben. Einfach ausgedrückt, was wir aufgenommen haben, haben wir am Ausgang bekommen.
Für einen normalen Benutzer ist ein "genetisches Flash-Laufwerk" noch nicht verfügbar, da das Speichern von Informationen sehr teuer ist und die Lese- / Schreibgeschwindigkeit niedrig ist. Wissenschaftler schätzen, dass das Lesen von nur einem Megabyte etwa dreieinhalbtausend Dollar und mehrere Stunden Zeit erfordert.
Zu den zweifelsfreien Vorteilen der Aufzeichnung von Informationen auf DNA zählen die enorme Speicherdichte von Daten sowie die Stabilität des Trägers - allerdings nur bei niedrigen Temperaturen.
