El aumento del volumen de información digital impulsa a los científicos a buscar formas más compactas de registrarla y almacenarla. ¿Y qué podría ser más compacto que el ADN? RIA Novosti, junto con un experto, descubrió cómo codificar palabras con nucleótidos y cuántos datos contiene una molécula.
Razones-códigos
El ADN es una secuencia de nucleótidos. Solo hay cuatro de ellos: adenina, guanina, timina, citosina. Para codificar la información, a cada uno de ellos se le asigna un código de dígitos. Por ejemplo, timina - 0, guanina - 1, adenina - 2, citosina - 3. La codificación comienza con el hecho de que todas las letras, números e imágenes se convierten en un código binario, es decir, una secuencia de ceros y unos, y ya se convierten en una secuencia de nucleótidos, es decir, un código cuaternario.
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Antes de codificar los datos en ADN, debe traducirlos a un código / ilustración digital de RIA Novosti. Alina Polyanina.
Solo se pueden usar tres nucleótidos para construir un código (código ternario), y el cuarto es dividir secuencias en partes. Existe una opción con la construcción de bases en forma de código binario, cuando dos de ellas corresponden a cero y dos corresponden a uno.
Se utilizan varias técnicas para leer. Uno de los más comunes es que una cadena de una molécula de ADN se copia utilizando bases, cada una de las cuales tiene una etiqueta de color. Luego, un detector muy sensible lee los datos y la computadora usa los colores para reconstruir la secuencia de nucleótidos.
“La molécula de ADN es muy espaciosa. Incluso en las bacterias, generalmente contiene alrededor de un millón de bases, y en los humanos, hasta tres mil millones. Es decir, cada célula humana lleva un volumen de información comparable a la capacidad de una unidad flash. Y tenemos billones de estas células. Se puede registrar una gran cantidad de datos en el ADN, pero escribir y leer en un medio de este tipo sigue siendo demasiado lento y costoso”, dice Alexander Panchin, Ph. D. en Biología, investigador principal del Instituto de Problemas de Transmisión de Información que lleva el nombre de A. A. Kharkevich, Academia de Ciencias de Rusia.
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La densidad de grabación aumenta
En junio de 1999, la revista Nature publicó un artículo de científicos estadounidenses que desarrollaron una técnica para enviar mensajes secretos utilizando ADN. Sintetizaron una molécula incorporando una secuencia de nucleótidos formada mediante un código cuaternario. El ADN secreto de la mezcla se envió a otro laboratorio. Sus empleados, utilizando claves químicas especiales, encontraron la molécula deseada y extrajeron información de ella.
“En general, existen dos enfoques para registrar datos en el ADN. La primera es cuando sintetiza ADN completamente nuevo utilizando un sintetizador químico. A las órdenes de la computadora, los nucleótidos se agregan a la solución en un orden determinado, y la cadena base requerida "crece" gradualmente. En el segundo caso, los datos se codifican en el ADN ya existente de un organismo”, explica Panchin.
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En mayo de 2010, el grupo de Craig Venter, que fue el primero en cartografiar el genoma humano, publicó un artículo sobre la creación de una bacteria artificial. Tomaron una célula bacteriana purificada del genoma como base y colocaron allí la secuencia de bases formada. El resultado es una nueva bacteria, bastante activa y viva, que se diferencia de la habitual solo en que su ADN fue creado a mano. Además, el equipo demostró un sentido de belleza al escribir sus nombres y citas de clásicos utilizando un código cuaternario en el ADN bacteriano.
En 2012, un grupo dirigido por el biólogo molecular George Church adoptó un enfoque más fundamental y codificó con ADN un libro de 52.000 palabras Regenesis: cómo la biología sintética reinventará la naturaleza y nosotros mismos, varias imágenes y un programa Java. Usaron código binario. La cantidad total de datos fue de 658 kilobytes. Se encontró que la densidad de información era de casi 1018 bytes por gramo de moléculas. En comparación, un disco duro de 1012 bytes pesa alrededor de cien gramos. La principal desventaja de este método es la inestabilidad de la información registrada.
“La molécula de ADN tiende a mutar, lo que reduce la confiabilidad del almacenamiento de datos. Especialmente si el portador del ADN es una célula viva capaz de dividirse: cuando el ADN se duplica, los errores se introducen con mucha frecuencia. La confiabilidad del almacenamiento de datos aumentará si tiene miles de copias del mismo mensaje. O simplemente almacene el ADN, digamos, en el congelador. A bajas temperaturas, la capacidad de mutación de una molécula se reduce significativamente”, explica el experto.
Además, a veces se pierde información al leer. Los errores pueden ser de naturaleza química, cuando se adjunta una base incorrecta a un elemento, o puramente calculados, es decir, dependiendo de la computadora.
Caro, confiable
En marzo de 2017, la revista Science publicó un artículo de científicos estadounidenses que lograron escribir 2 * 1017 bytes por gramo de ADN. Los biólogos enfatizan que no han perdido ni un solo byte. En pocas palabras, lo que grabamos es lo que obtuvimos a la salida.
Para un usuario común, una "unidad flash genética" aún no está disponible, porque es muy costoso almacenar información en ella y la velocidad de lectura / escritura es baja. Los científicos estiman que leer solo un megabyte requiere alrededor de tres mil quinientos dólares y varias horas de tiempo.
Las ventajas indudables de registrar información en el ADN incluyen la enorme densidad de almacenamiento de datos, así como la estabilidad del portador, aunque solo a bajas temperaturas.
