В ДНК записали «Прибытие поезда» и операционную систему KolibriOS

В ДНК записали «Прибытие поезда» и операционную систему KolibriOS

Янив Эрлих  (Yaniv Erlich) и Дина Зелински(Dina Zielinski)  — сотрудники Колумбийского университета и Геномного центра в Нью Йорке — разработали новую технологию записи информации в ДНК, которая приближается к теоретическому пределу по плотности закодированной информации, гарантирует надежность считывания в условиях большого количества ошибок и способна уместить до 215 петабайт данных в одном грамме нуклеиновой кислоты. Подробности метода опубликованы в журнале Science.

Информационные возможности ДНК стали понятны сразу после открытия ее структуры в 1953 году, однако в инженерном ключе ученые стали думать на эту тему лишь несколько лет назад. Связано это прежде всего с резким падением стоимости химического синтеза и (особенно) стоимости чтения последовательности нуклеиновых кислот (о том, как это произошло, можно прочитать здесь).

Одна из первых серьезных работ, в которой информационные возможности ДНК были проверены на практике, была проведена в 2012 коллективом под руководством известного молекулярного биолога Джоржа Чёрча (George Church). Тогда ученые закодировали в последовательности ДНК книгу объемом в 52 тысячи слов, несколько jpeg-изображений и небольшую программу на JavaScript. Общий объем информации составил ~700 килобайт, которые уместились в 55 тысяч отдельных фрагментов ДНК длиной по 159 нуклеотидов. óльшую (но не всю) часть закодированной информации тогда удалось прочитать. Однако ни метода коррекции ошибок, ни системы избыточности в использованной Чёрчем и коллегами кодировке не было: бинарную последовательность просто переводили в последовательность нуклеотидов по принципу один нуклеотид — один бит (аденин или цитозин соответствовал 0, гуанин или тимин — 1).

Подобная система может быть использована для демонстрации возможности технологии, но на практике, конечно, неприменима. В дальнейшем несколько других коллективов пытались использовать «настоящие», хорошо известные в теории информации методы кодирования и применить их для работы с ДНК. Например, ученые использовали классический код Рида-Соломона, который позволяет исправлять ошибки в блоках данных и применяется, в частности, при записи информации на CD. Однако этот код, по словам авторов новой статьи, не очень хорошо подходит для ДНК: характер тех ошибок, которые возникают при ее копировании, приводит к большому разбросу в представленности олигонуклеотидов разного типа, особенно при большом объеме данных, что плохо сказывается на «читаемости» кода. Кроме того, полученная плотность кодирования информации (в тех работах, где использовался этот код) составляла всего около половины теоретического предела. Поэтому Эрих и Зелински решили разработать собственный метод записи информации в ДНК, взяв за основу т. н. фонтанный код.

В ДНК содержится четыре типа оснований (A, T, G и C), поэтому максимальная плотность кодирования информации в ней может достигать двух бит на нуклеотид. В реальности же количество кодируемой информации на символ всегда оказывается ниже: во-первых из-за необходимости вносить избыточность, которая должна компенсировать ошибки синтеза и чтения фрагментов ДНК, во-вторых, из-за внесения «сервисных последовательностей», которые нужны для индексации (баркодинга) последовательностей, обеспечения возможности копирования ДНК в ПЦР и т. д. По расчетам авторов новой статьи (подробности приведены здесь) шенноновская плотность информации, учитывающая среднюю длину нуклеотидов, размеры адапторов для копирования и типичные ошибки синтеза составляет около 1,83 бит на нуклеотид. Использование нового метода позволило добиться информационной плотности, которая составляет 86% этого теоретического предела.

Работает новое кодирование следующим образом. Сначала двоичная последовательность разбивается на непересекающиеся сегменты фиксированной длины в 32 байта, а затем они кодируются с помощью т. н. «капель», — специальным образом полученных последовательностей чуть большей длины. Полученные капли затем переводятся напрямую в последовательность ДНК с максимальной плотностью (по два бита на нуклеотид), и — в этом состоит надстройка над фонтанным кодом — проверяются по биохимическим ограничениям, которые накладывает техника чтения ДНК: фрагменты не должны содержать длинных однонуклеотидных повторов или участков со слишком большой или слишком малой долей GC-нуклеотидов (сотношение A+T/G+С влияет на физические свойства молекул). Если кодирование приводит к нарушениям ограничений, оно просто повторяется заново до тех пор, пока не удастся создать правильную последовательность. Полученный результат дополняют стандартными адаптерами для ПЦР и отправляют на аппарат автоматического синтеза.

Ключевое отличие фонтанного кодирования заключается в том, что каждая «капля» кода содержит информацию о нескольких разных сегментах исходной последовательности — так, что даже потеря нескольких капель может быть компенсирована за счет других. Для индексации же капель используется генератор случайных чисел, который добавляет т. н. зерно в каждую из них — метод описан Майклом Люби из MIT еще в конце 90-х и в настоящее время он широко используется при передаче мобильного видео, где возможно частое выпадение блоков информации. В результате применения нового метода — фонтанного кода, модифицированного авторами для работы с ДНК, — ученым удалось экспериментально закодировать и прочитать 2,14 мегабайт информации в виде ДНК-олигонуклеотидов. В них уместилась подарочная карта Amazon, операционная система KolibriOS, статья Шеннона о передаче информации в зашумленном канале, видеофайл «Прибытия поезда» братьев Люмьер и даже один компьютерный вирус. Итоговая физическая плотность записи — ее измеряли в эксперименте с постепенным «гомеопатическим» разбавлением ДНК — составила 215 петабайт (215 000 000 гигабайт) на грамм нуклеиновой кислоты.

Главным результатом новой работы — далеко не первой в своей области — можно назвать приближение к теоретическому пределу плотности и надежности кодирования информации на основе ДНК. Учитывая близость полученных данных к теоретическим пределам сложно надеяться на какое-то радикальное улучшение этих показателей в будущих работах. Сейчас главным препятствием к практическому применению ДНК в качестве носителя информации остается дороговизна синтеза. Так, в новой работе итоговая стоимость «ДНК-флешки» составила 3,5 тысяч долларов за мегабайт данных. Однако оценивать эту цифру следует в правильном контексте: во-первых, единожды созданный такой носитель может быть легко скопирован почти не ограниченное количество раз. Во-вторых, текущая стоимость записи информации в ДНК является результатом применения обычного современного метода химического синтеза, разработанного прежде всего с приоритетом требования точности. Как показано в новой работе, такая точность сильно избыточна для задач хранения информации. Значительное снижение стоимости может быть достигнуто ослаблением этого требования, но пока такие «быстрые и грязные» методы синтеза ДНК не получили распространения из-за того, что у них не было практического применения.

Интересно, что новая работа хотя и превосходит по плотности записи все проделанные до сих пор, существенно уступает им по объему данных. Так, летом прошлого года учеными из Вашингтонского университета при финансовой поддержке частной компании удалось записать в ДНК более 200 мегабайт данных, среди которых были оцифрованные произведения искусства, 100 литературных произведений из проекта «Гутенберг», Всеобщая декларация прав человека ООН более чем на 100 языках, база данных семян некоммерческой организации Crop Trust и клип This Too Shall Pass группы OK Go в высоком разрешении.

N+1

Похожие новости:
Apple выпустила новую операционную систему iOS5
Компания «Apple» выпустила пятую версию операционной системы «IOS», которая успешно работает на «iPhone», «IPad» и «IPod Touch». Компания добавила более 200 новых функций в новую операционную систему, сообщает «ВордАйти». Когда мы увидим IOS 5? В выступлении посвящённом выпуску «iPhone ..
2011-10-13 1511 0 Интернет, IT
0
Китай осенью представит свою операционную систему
В октябре китайские программисты представят общественности новую операционную систему. Как сообщает РИА Новости со ссылкой на СМИ КНР, это позволит упразднить монопольное положение Microsoft на китайском рынке программного обеспечения. «Новая система сначала будет доступна только для настольных компьютеров, а позже её можно ..
2014-08-25 1294 0 Интернет, IT
0
Новый ”джейлбрейк” стал самым популярным
Утилита evasi0n, позволяющая «взломать» операционную систему iOS и получить доступ к ее коду, стала самым популярным «джейлбрейком» за всю историю. Инструментом, подходящим в том числе для самого современного смартфона iPhone 5, воспользовались свыше 7 миллионов человек. Такую цифру назвал Джей Фриман, основатель ..
2013-02-11 1260 0 Интернет, IT
0
Яндекс будет стандартным поисковиком для смартфонов
Поисковый сервис компании «Яндекс» по умолчанию будут использоваться в Windows-коммуникаторах мировых производителей, сообщает "АйтиБук". В настоящее время российский «Яндекс» имеет целью сотрудничество с компаниями HTC, Nokia и Samsung. Например, на этой неделе в продажу уже поступил коммуникатор Samsung ..
2011-12-29 1999 0 Интернет, IT
0
Пользователи будут не в восторге от Windows 8
По мнению эксперта по пользовательским интерфейсам из Nielsen Norman Group, пользователи быстро возненавидят новую операционную систему от Microsoft. Ралука Бадью отметила, что Windows 8 прекрасно подходит для «потребления контента», но не для его создания. «Пользователям придется изучить Windows 8, однако они не смогут забыть ..
2012-08-24 1001 1 Интернет, IT
0
Microsoft сообщила о предстоящих планах на 2012 год
Компания Microsoft сообщила о планах относительно развития операционной системы для мобильных устройств Windows Phone 7, которая станет основным инструментом, с помощью которого компания Microsoft планирует конкурировать с платформами iOS и Android. Хотя данный план и может быть неправдивым, именно ..
2012-01-3 1262 0 Интернет, IT
0
Google открывает онлайн-архив писем военных лет
Компания Google объявляет об открытии самого большого в России онлайн-архива писем военных лет «Живая память» (pisma.may9.ru), приуроченного к 70-летию Победы в Великой Отечественной войне. Сейчас на сайте доступно более 800 документов. Некоторые письма получили собственные видеоверсии, их записали ..
2015-04-30 6200 0 Интернет, IT
0
В 2014 выйдет разработанная с нуля Windows Phone 9?
По данным ведущего аналитика Mobile Research Group Эльдара Муртазина, корпорация Microsoft намерена разработать операционную систему Windows Phone 9 «с нуля». Вдохновение при ее создании, по его словам, софтверный гигант будет черпать в Android, а не в iOS, как раньше. «Но все равно ..
2013-12-16 1213 0 Интернет, IT
0
IBM вложит в Linux миллиард долларов
Компания IBM вложит миллиард долларов США в развитие операционной системы Linux и смежных с ней проектов с открытым исходным кодом на своей серверной платформе Power Systems. Об этом сообщает Linux.com. Средства будут инвестированы в течение пяти лет, уточняет PCWorld. Они будут пущены ..
2013-09-19 1145 0 Интернет, IT
0
Яндекс.Деньги позволят платить за билеты Аэрофлота
Оплатить билеты «Аэрофлота» можно на сайте перевозчика через платежную систему «Яндекса». Теперь пользователи могут оплачивать «Яндекс.Деньгами» билеты «Аэрофлота» непосредственно на сайте авиакомпании. Об этом сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию «Руформатора». На сегодняшний день платежная система ..
2011-10-19 1305 0 Интернет, IT
0
В новой версии Skype удалены сторонние утилиты Google
Вчера стало известно, что компания «Microsoft» официально приобрела компанию «Skype» и в тот же день выпустила новые версии своего программного обеспечения «Skype», сообщает «ВордАйти». Новые версии «Skype 5.5» и «Skype 5.6» больше не предлагают никаких сторонних утилит ..
2011-10-15 1454 0 Интернет, IT
0
Сенаторам разработают ПО для планшетов за 7,5 млн руб
Совет Федерации разместил на сайте госзакупок тендер на создание ПО для планшетов. Совет Федерации объявил тендер на создание автоматизированной информационной системы «Мобильное рабочее место члена Совета Федерации» для планшетов на Windows. Цена контракта – 7,5 миллиона рублей. Заявки принимаются ..
2013-05-16 1055 0 Интернет, IT
0
Дуров опроверг слухи о закрытии ВКонтакте
Основатель социальной сети «ВКонтакте» Павел Дуров в воскресенье прокомментировал слухи о возможном закрытии проекта в марте, назвав их «глупостью». «Усиленно распространяют слухи о том, что в марте «ВКонтакте» якобы закроется. Это глупость. Мы никогда не закроемся. Мы никогда не предадим наших пользователей», - написал ..
2012-01-8 1876 0 Интернет, IT
0
В Спутнике появятся новые разделы
Недавно запущенный госпоисковик «Спутник» вот-вот должен быть оснащен новыми функциями и возможностями. Информация пришла от источника внутри компании Ростелеком, а чуть позже ее подтвердил вице-президент Алексей Басов. Поисковик теперь обзаведется новыми разделами «Афиша», «Поиск работы» ..
2014-05-27 1174 0 Интернет, IT
0
Обновленный интерфейс Twitter вступил в силу
Теперь все действия владельца микроблога и тех пользователей, на которых он подписан, будут наглядно представлены в двух разных вкладках. В интерфейсе cервиса микроблогов появились две новые вкладки: @username (@пользователь) и Activity («Активность»). Об этом компания объявила в официальном блоге. В первой размещаются ..
2011-11-15 1023 0 Интернет, IT
0