O crescimento no volume de informações digitais leva os cientistas a procurar maneiras mais compactas de registrá-las e armazená-las. E o que poderia ser mais compacto do que o DNA? RIA Novosti, junto com um especialista, descobriu como codificar palavras com nucleotídeos e quantos dados uma molécula contém.
Códigos de razões
O DNA é uma sequência de nucleotídeos. Existem apenas quatro deles: adenina, guanina, timina, citosina. Para codificar as informações, cada um deles recebe um código de dígito. Por exemplo, timina - 0, guanina - 1, adenina - 2, citosina - 3. A codificação começa com o fato de que todas as letras, números e imagens são convertidos em um código binário, ou seja, uma sequência de zeros e uns, e já estão em uma sequência de nucleotídeos, ou seja, um código quaternário.
Antes de codificar os dados em DNA, você precisa traduzi-los em um código / ilustração digital por RIA Novosti. Alina Polyanina.
Apenas três nucleotídeos podem ser usados para construir um código (código ternário), e o quarto é para quebrar as sequências em partes. Existe a opção de construção de bases na forma de código binário, quando duas delas correspondem a zero e duas correspondem a um.
Várias técnicas são usadas para leitura. Um dos mais comuns é que uma cadeia de uma molécula de DNA é copiada usando bases, cada uma com uma etiqueta colorida. Em seguida, um detector muito sensível lê os dados e o computador usa as cores para reconstruir a sequência de nucleotídeos.
“A molécula de DNA é muito espaçosa. Mesmo em bactérias, geralmente contém cerca de um milhão de bases e, em humanos, até três bilhões. Ou seja, cada célula humana carrega um volume de informações comparável à capacidade de um pen drive. E temos trilhões dessas células. Uma grande quantidade de dados pode ser registrada no DNA, mas escrever e ler nesse meio ainda é muito lento e caro , diz Alexander Panchin, Ph. D., pesquisador sênior do Instituto de Problemas de Transmissão de Informação em homenagem a A. A. Kharkevich, Academia Russa de Ciências.
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A densidade de gravação aumenta
Em junho de 1999, a revista Nature publicou um artigo de cientistas americanos que desenvolveram uma técnica para enviar mensagens secretas usando DNA. Eles sintetizaram uma molécula incorporando uma sequência de nucleotídeos formada usando um código quaternário. O DNA secreto da mistura foi enviado para outro laboratório. Seus funcionários, usando chaves químicas especiais, encontraram a molécula desejada e extraíram informações dela.
“Em geral, existem duas abordagens para registrar dados no DNA. A primeira é quando você sintetiza DNA completamente novo usando um sintetizador químico. No comando do computador, os nucleotídeos são adicionados à solução em uma determinada ordem, e a cadeia de base necessária "cresce" gradualmente. No segundo caso, os dados são codificados no DNA já existente de um organismo”, explica Panchin.
Em maio de 2010, o grupo de Craig Venter, que primeiro mapeou o genoma humano, publicou um artigo sobre a criação de uma bactéria artificial. Eles pegaram uma célula bacteriana purificada do genoma como base e colocaram a sequência de base formada ali. O resultado é uma nova bactéria, bastante ativa e viva, que se diferencia das usuais apenas pelo fato de seu DNA ter sido criado manualmente. Além disso, a equipe demonstrou uma sensação de beleza ao escrever seus nomes e citações de clássicos usando um código quaternário no DNA bacteriano.
Em 2012, um grupo liderado pelo biólogo molecular George Church fez uma abordagem mais completa e codificou com DNA um livro de 52.000 palavras Regenesis: Como a biologia sintética reinventará a natureza e nós mesmos, várias fotos e um programa Java. Eles usaram código binário. A quantidade total de dados foi de 658 kilobytes. A densidade da informação foi encontrada em quase 1018 bytes por grama de moléculas. Para efeito de comparação, um disco rígido de 1012 bytes pesa cerca de cem gramas. A principal desvantagem desse método é a instabilidade das informações registradas.
“A molécula de DNA tende a sofrer mutação, o que reduz a confiabilidade do armazenamento de dados. Especialmente se o portador do DNA for uma célula viva capaz de se dividir: quando o DNA é duplicado, os erros ocorrem com frequência especial. A confiabilidade do armazenamento de dados aumentará se você tiver milhares de cópias da mesma mensagem. Ou apenas armazene o DNA, digamos, no freezer. Em baixas temperaturas, a capacidade de uma molécula sofrer mutação é significativamente reduzida”, explica o especialista.
Além disso, às vezes as informações são perdidas durante a leitura. Os erros podem ser de natureza química, quando uma base incorreta é fixada em um elemento, ou puramente calculados, ou seja, dependendo do computador.
Caro, confiável
Em março de 2017, a revista Science publicou um artigo de cientistas americanos que conseguiram escrever 2 * 1017 bytes por grama de DNA. Os biólogos enfatizam que não perderam um único byte. Simplificando, o que gravamos é o que obtivemos na saída.
Para um usuário comum, uma "unidade flash genética" ainda não está disponível, porque é muito caro armazenar informações nela e a velocidade de leitura / gravação é baixa. Os cientistas estimam que ler apenas um megabyte requer cerca de três mil e quinhentos dólares e várias horas de tempo.
As vantagens indiscutíveis de registrar informações no DNA incluem a enorme densidade de armazenamento dos dados, bem como a estabilidade do portador - porém, apenas em baixas temperaturas.
