H δυναμική του DNA... ως μέσο αποθήκευσης πληροφοριών! | Biology.gr

H δυναμική του DNA... ως μέσο αποθήκευσης πληροφοριών!

Ήδη από το τέλος της δεκαετίας του 1970 είχε εμφανιστεί στην επιστημονική κοινότητα η ιδέα της χρήσης του DNA ως μέσου κωδικοποίησης μηνυμάτων.

Τα πλεονεκτήματα του DNA ως αποθηκευτικού μέσου είναι

  • η ικανότητά του να αποθηκεύει δεδομένα με 4 τιμές (G, A, T, C) καθώς και
  • η μεγάλη του σταθερότητα.

Την περίοδο εκείνη, ωστόσο, η ιδέα αυτή δεν μπορούσε να μελετηθεί εκτενώς λόγω υψηλού κόστους, αφού η παρασκευή μόλις 10 νουκλεοτιδίων στοίχιζε $6000. Παρόλα αυτά, τις επόμενες δεκαετίες, η σύνθεση ολιγονουκλεοτιδίων, έγινε συνηθισμένη πρακτική με αποτέλεσμα διάφορες ερευνητικές ομάδες να μπορούν να  αποθηκεύσουν πληροφορίες, όπως κείμενο, μουσική και εικόνες σε DNA. Η μέθοδος περιλαμβάνει τη δημιουργία μιας βιβλιοθήκης πλασμιδίων με πληροφορίες μεγέθους έως 10.000 bp που έχουν εισαχθεί σε κάθε πλασμίδιο. Χρησιμοποιείται, επίσης, ένα διαφορετικό πλασμίδιο δείκτης που περιέχει γενικές πληροφορίες για τη βιβλιοθήκη, όπως το όνομα, ο αριθμός πλασμιδίων και οι εκχωρήσεις των εκκινητών. Γενικές πληροφορίες για τη βιβλιοθήκη αρχικά ανασύρονται με προσδιορισμό της αλληλουχίας του DNA του πλασμιδίου-δείκτη χρησιμοποιώντας πλασμιδιακούς καθολικούς εκκινητές και στη συνέχεια από τη βιβλιοθήκη πλασμιδίων με μοναδικά σχεδιασμένους εκκινητές περιγράφει μια τεχνική αποθήκευσης πληροφοριών σε DNA που χρησιμοποίησε δύο κατηγορίες DNA. DNA που περιέχει πληροφορίες και DNA εκκινητών που ονομάστηκε DNA-κλειδί-εκκινητών (PPK). Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, το PPK περιείχε όλες τις αλληλουχίες των εκκινητών. Αντίθετα, το πλασμίδιο περιέχει μόνο τις πληροφορίες για τη δομή της βιβλιοθήκης καθώς οι αλληλουχίες των εκκινητών ήταν ενσωματωμένες στη βιβλιοθήκη πληροφοριών.

Ο κώδικας Huffman για την κρυπτογράφηση του DNA επιτρέπει την κωδικοποίηση μόνο για 26 χαρακτήρες. Επιδιώξαμε να βελτιώσουμε αυτή την προσέγγιση προκειμένου να καταστήσουμε δυνατή την κωδικοποίηση ολόκληρου του γονιδιώματος. Στη συνέχεια ακολούθησε η μεγαλύτερη καταγραφή δεδομένων στο DNA από την ομάδα του George Church, η οποία έγινε μετατρέποντας δυαδικό κώδικα σε αλληλουχία DNA με αντιστοίχηση 0 ως A ή C και 1 ως C ή G. Η αλληλουχία αυτή τυπώθηκε σε μικροτσιπ ως σειρά τμημάτων DNA, αντιγράφτηκε με PCR και έτρεξε σε μηχάνημα αλληλούχισης (illumina sequencer)  με σκοπό να αποδώσει ξανά το αρχικό κείμενο. Η αποθηκευτική δυνατότητα του DNA ξεπέρασε τα 700 terabytes ανά τετραγωνικό χιλιοστό, ξεπερνώντας οποιοδήποτε σύγχρονο αποθηκευτικό μέσο πληροφορίας. Η δημοσίευση της έρευνας αυτής προκάλεσε τον ενθουσιασμό επιστημόνων από διάφορους τομείς, καθώς υπάρχει μεγάλη ανάγκη χώρου για αποθήκευση πληροφοριών, ενώ μεγάλο ενδιαφέρον υπάρχει και από τη βιομηχανία υψηλής τεχνολογίας.

Η αποθήκευση πληροφοριών στο DNA μπορεί εκτός από την αντιστοίχιση ενός ψηφίου σε μία βάση να γίνει και με αντιστοίχιση 2 ψηφίων σε μία βάση δίνοντας επομένως δυνατότητα αποθήκευσης 2 bits ανά νουκλεοτίδιο. Τα ολιγονουκλεοτίδια που παράγονται μπορούν να φυλαχθούν σε καταψύκτη και να χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια για ανάκτηση της αρχικής πληροφορίας. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει πολλαπλασιασμό των τμημάτων DNA με PCR και αλληλούχιση όλου του κώδικα. Εφόσον το κόστος σύνθεσης και αλληλούχισης ολιγονουκλεοτιδίων μειώνεται μένει μόνο να αποδειχτεί ότι η χρήση του DNA ως αποθηκευτικού χώρου  έχει όντως ευρείας χρήσης πρακτική εφαρμογή.

Τα προβλήματα που πρέπει να λυθούν

  • Ένα αρχικό πρόβλημα παραμένει το γεγονός ότι παρά τη μείωση του παρασκευαστικού κόστους, η εγγραφή μεγάλου όγκου πληροφοριών στο DNA είναι ακόμα αρκετά ακριβή.
  • Ένα πιο τεχνικό πρόβλημα αποτελεί και η ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα σφάλματος αποτελεί η παράληψη ενός γράμματος κατά την ανάγνωση του κώδικα και θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί με τη δημιουργία πολλών αντιγράφων κάθε ολιγονουκλεοτιδίου, γεγονός, ωστόσο, που αυξάνει περισσότερο το κόστος.
  • Σφάλματα μπορούν επίσης να προκύψουν και λόγω των βιοχημικών ιδιοτήτων του DNA. Αλληλουχίες με πολλές γουανίνες (G) είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν για εγγραφή, γιατί παράγουν δευτερεύουσες δομές που παρεμποδίζουν τη σύνθεση, ενώ οι πολυμεράσες που χρησιμοποιούνται για την αλληλούχιση συχνά κάνουν λάθη όταν συνθέτουν μακριές αλληλουχίες με το ίδιο νουκλεοτίδιο. Η μέθοδος του Church δίνει μία λύση στο πρόβλημα, αφού μία σειρά από 4 μηδέν μπορεί να παρασταθεί ως ACAC με αποτέλεσμα να αποφεύγεται ο σχηματισμός ομοπολυμερών, αλλά συγχρόνως να μειώνεται η αποθηκευτική ικανότητα. Οι επιστήμονες συνεχίζουν τις προσπάθειες επίλυσης του παραπάνω προβλήματος με ταυτόχρονη αύξηση της αποθηκευτικής ικανότητας του DNA.
  • Ένα ακόμα πρόβλημα που πρέπει να ξεπεραστεί είναι η δυνατότητα ανάκτησης μέρους μόνο της αρχικής πληροφορίας. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό δόθηκε από την ομάδα του Milenkovic και ήταν να προσθέσει δύο αντί μίας μοναδικές αλληλουχίες στα άκρα κάθε ολιγονουκλεοτίδιου. Συνθέτοντας εκκινητές ειδικά για αυτά τα άκρα έγινε δυνατός ο στοχευμένος πολλαπλασιασμός με PCR ενός μόνο ολιγομερούς.  Με τη μέθοδο αυτή επετεύχθη η αλληλούχιση τριών συγκεκριμένων αλληλουχιών από σύνολο 3 ολιγομερών.
  • Μέχρι πρόσφατα, οι έρευνες σχετικά με την αποθήκευση πληροφοριών στο DNA περιορίζονταν από την υπόθεση ότι η αποθήκευση αυτή θα γινόταν μόνο σε ορισμένες κεντρικές μονάδες με αραιή πρόσβαση. Ωστόσο πλέον γίνονται προσπάθειες ώστε οι βάσεις δεδομένων να μπορούν να μεταφέρονται και επομένως η πρόσβαση σε αυτές να είναι πιο εύκολη. Ένας τρόπος να επιτευχθεί αυτό είναι η χρήση μηχανήματος αλληλούχισης χειρός αντί για illumina sequencer.

Εν τω μεταξύ, Αμερικανοί ερευνητές της DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) ανακοίνωσαν ένα πρόγραμμα αποθήκευσης πληροφοριών σε DNA σε συνδυασμό με μοριακούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν αλληλεπιδράσεις μεταξύ τμημάτων DNA άλλων βιοχημικών μορίων, που μπορούν να εκτελέσουν παράλληλους υπολογισμούς καλύτερα από τους συνηθισμένους υπολογιστές. Μάλιστα κάποιοι επιστήμονες υποστηρίζουν το σχεδιασμό μιας υβριδικής ηλεκτρονικής-μοριακής τεχνολογίας.

Επιστήμονες από το πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον και τη Microsoft έκαναν ένα ακόμη βήμα για την ανάπτυξη ψηφιακών αποθηκευτικών μέσων που θα βασίζονται σε DNA και θα έχουν πολύ μικρότερες διαστάσεις από τους συμβατικούς δίσκους – αφού μία τέτοια μονάδα με μέγεθος όσο ένας «κύβος» ζάχαρης θα μπορεί να αποθηκεύσει όγκο δεδομένων για τον οποίο σήμερα θα χρειαζόταν μία υποδομή με έκταση όσο ένα σουπερμάρκετ. Πιο συγκεκριμένα, οι ερευνητές ανέπτυξαν μία νέα τεχνική για την κωδικοποίηση και τη φύλαξη ψηφιακών εικόνων σε μικρές τεχνητές αλυσίδες DNA. Όπως μάλιστα ανέφεραν σε παρουσίασή τους σε συνέδριο στις ΗΠΑ οι δοκιμές τους έδειξαν επίσης πως η τεχνική λειτουργεί με επιτυχία, αφού εξασφαλίζει ότι οι πληροφορίες μπορούν ανά πάσα στιγμή να ανακτηθούν από το γενετικό υλικό.

Η ανάπτυξη αυτού του πεδίου δεν είναι εύκολη, ωστόσο οι εκτεταμένες έρευνες και η μεγάλη πρόοδος μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα σε αυτό δείχνουν τη δυναμική που έχει το DNA ως μέσο αποθήκευσης πληροφοριών.

Print Friendly, PDF & Email
ΚΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗ

Αφήστε ένα σχόλιο
!-- -->

20 − seventeen =

Εγγραφείτε στο Newsletter μας!

Μείνετε ενήμεροι για νέα και άρθρα μας.

Χρησιμοποιούμε cookies για να σας προσφέρουμε καλύτερη εμπειρία στο διαδίκτυο. Συμφωνώντας, αποδέχεστε τη χρήση των cookies σύμφωνα με την Πολιτική Cookies.

Privacy Settings saved!
Ρυθμίσεις Απορρήτου

Όταν επισκέπτεστε μία ιστοσελίδα, μπορεί να λάβει κάποιες βασικές πληροφορίες από τον browser σας, κατά βάση υπό τη μορφή cookies. Εδώ μπορείτε να ρυθμίσετε τη συγκατάθεσή σας σε όλα αυτά.

Αυτά τα cookies είναι απαραίτητα για να λειτουργήσει ο ιστότοπος και δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί στα συστήματά μας.

Χρησιμοποιούμε το WooCommerce ως σύστημα αγορών. Για επεξεργασία καλαθιού και παραγγελίας θα αποθηκευτούν 2 cookies. Αυτά τα cookies είναι απολύτως απαραίτητα και δεν μπορούν να απενεργοποιηθούν.
  • woocommerce_cart_hash
  • woocommerce_items_in_cart

Για τη χρήση αυτού του ιστότοπου χρησιμοποιούμε τα παρακάτω cookies που απαιτούνται από τεχνική άποψη
  • wordpress_test_cookie
  • wordpress_logged_in_
  • wordpress_sec

Χρησιμοποιούμε το WooCommerce ως σύστημα αγορών. Για επεξεργασία καλαθιού και παραγγελίας θα αποθηκευτούν 2 cookies. Αυτά τα cookies είναι απολύτως απαραίτητα και δεν μπορούν να απενεργοποιηθούν.
  • woocommerce_cart_hash
  • woocommerce_items_in_cart

Απορρίψη όλων των υπηρεσιών
Δέχομαι όλες τις υπηρεσίες