Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Vitacoin

ДНК как флешка

Зачем записывать цифровые данные в геном

РИА Новости

Рост объема цифровой информации побуждает ученых искать более компактные способы ее записи и хранения. А что может быть компактнее ДНК? РИА Новости вместе с экспертом выяснило, как закодировать слова нуклеотидами и сколько данных вмещает одна молекула.

Основания-коды

ДНК представляет собой последовательность нуклеотидов. Их всего четыре: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Для кодирования информации каждому из них приписывают цифру-код. Например, тимин – 0, гуанин – 1, аденин – 2, цитозин –3. Кодирование начинается с того, что все буквы, цифры и изображения переводят в двоичный код, то есть последовательность нулей и единиц, а их уже – в последовательность нуклеотидов, то есть четверичный код.

Можно применять только три нуклеотида для постройки кода (троичный код), а четвертым – разбивать последовательности на части. Есть вариант с построением оснований в виде двоичного кода, когда два из них соответствуют нулю, а два – единице.  

Для считывания применяют несколько методик. Одна из самых распространенных заключается в том, что цепочку молекулы ДНК копируют с помощью оснований, у каждого из которых есть цветовая метка. Затем очень чувствительный детектор считывает данные, и по цветам компьютер восстанавливает последовательность нуклеотидов.

«Молекула ДНК очень емкая. Даже у бактерии она, как правило, содержит около миллиона оснований, а у человека – целых три миллиарда. То есть каждая клетка человека несет объем информации, сопоставимый с вместимостью флешки. И таких клеток у нас триллионы. В ДНК можно записать огромное количество данных, но запись и чтение с такого носителя пока происходят слишком медленно и дорого стоят», – рассказывает Александр Панчин, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института проблем передачи информации имени А. А. Харкевича РАН. 

Плотность записи растет

В июне 1999 года в журнале Nature вышла статья американских ученых, разработавших технику отправки секретных сообщений с помощью ДНК. Они синтезировали молекулу, включив в нее последовательность нуклеотидов, сформированную с использованием четверичного кода. Секретную ДНК в составе смеси отправили в другую лабораторию. Ее сотрудники, используя особые химические ключи, нашли нужную молекулу и извлекли из нее информацию. 

«Вообще, есть два подхода к записи данных на ДНК. Первый, когда вы синтезируете совершенно новую ДНК, используя химический синтезатор. По команде компьютера нуклеотиды добавляются в раствор в определенном порядке, и постепенно «вырастает» нужная цепочка оснований. Во втором случае кодируются данные в уже существующей ДНК какого-то организма», – поясняет Панчин. 

В мае 2010 года группа Крейга Вентера, который первым составил карту генома человека, опубликовала работу о создании искусственной бактерии. Они взяли за основу очищенную от генома бактериальную клетку и поместили туда сформированную последовательность оснований. Получилась новая бактерия, вполне деятельная и живая, отличающаяся от обычной только тем, что ее ДНК создали вручную. Кроме того, коллектив продемонстрировал чувство прекрасного, записав с помощью четверичного кода в ДНК бактерии свои имена и цитаты из классических произведений. 

В 2012 году группа под руководством молекулярного биолога Джорджа Чёрча подошла к делу более основательно и закодировала в ДНК книгу «Регенезис: как синтетическая биология заново откроет природу и нас самих» объемом в 52 тысячи слов, несколько картинок и одну программу, написанную на Java. Они применяли двоичный код. Общий объем данных составил 658 килобайт. Плотность информации оказалась равна почти 1018 байт на грамм молекул. Для сравнения: жесткий диск объемом 1012 байт весит около сотни граммов. Главный недостаток метода – нестабильность записанной информации. 

«Молекула ДНК склонна мутировать, что понижает надежность хранения данных. Особенно если носитель ДНК – живая клетка, способная к делению: при удвоении ДНК ошибки закрадываются особенно часто. Надежность хранения данных повысится, если иметь тысячи копий одного и того же послания. Ну или просто хранить ДНК, скажем, в морозильнике. При низких температурах способность молекулы к мутации значительно снижается», – поясняет эксперт. 

Кроме того, информация иногда теряется при чтении. Ошибки могут быть химического плана, когда к элементу присоединяется неправильное основание, так и чисто расчетными, то есть зависящими от компьютера.

Дорого, надежно

В марте 2017 года журнал Science опубликовал статью американских ученых, которым удалось записать 2*1017 байт на один грамм ДНК. Биологи подчеркивают, что не потеряли ни байта. Говоря проще, что записали, то и получили на выходе. 

Для обычного пользователя «генетическая флешка» пока недоступна, потому что хранить информацию на ней очень дорого, а скорость чтения/записи – низкая. По оценкам ученых, считывание лишь одного мегабайта требует около трех с половиной тысяч долларов и нескольких часов времени. 

К несомненным преимуществам записи информации на ДНК относится огромная плотность хранения данных, а также стабильность носителя – правда, лишь при низких температурах.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Читать статьи по темам:

синтетическая биология база данных Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Библиотеки будущего будут сделаны из ДНК

Ученые выясняют, можно ли использовать для хранения информации память на основе нуклеиновых кислот.

читать

Живая флешка

Американские ученые записали gif-изображение в виде генетического кода, встроили его в геном бактерии и снова считали с генома почти без потери качества.

читать

Элитная флешка

В цепочку генов можно записать в 60 раз больше информации, чем на сегодняшние носители. Однако мы вряд ли будем копировать в ДНК музыку или фото.

читать

Новый рекорд записи информации в ДНК

Американские ученые разработали новую технологию записи информации в ДНК, которая способна уместить до 215 петабайт данных в одном грамме нуклеиновой кислоты.

читать

Шифровка в ДНК

Американские исследователи работают над новым, исключительно надежным методом кодирования и хранения важной информации – в виде шифра, записанного в молекулах ДНК.

читать