Энтропия Шеннона

Денис 9 ноября 2023

Объёмы данных записываемых в клетки ДНК

Энтропия Шеннона не может быть использована для прямого определения объема информации, который может быть сохранен в ДНК. Однако, она может помочь оценить эффективность использования ДНК для хранения информации. Чем выше энтропия Шеннона, тем больше информации может быть сохранено в ДНК и тем эффективнее используется пространство для хранения данных.

до 455 миллиардов гигабайт в одном грамме

Объем этой информации так велик, а емкость ДНК столь огромна, что в одном грамме этого вещества может храниться до 455 миллиардов гигабайт данных. Это эквивалентно информации на 100 миллиардах DVD.
ДНК обладает и другими преимуществами перед традиционными накопителями. Наряду с высокой плотностью записи информации, это высокая ее сохранность: данные можно считывать даже после нескольких тысяч лет хранения в условиях, далеких от идеальных.

Вес одной клетки DNA может варьироваться в зависимости от различных факторов, таких как длина DNA, плотность упаковки DNA в ядре, размер и тип клетки. Однако, в общем случае, клетка DNA может иметь вес от нескольких десятков до сотен пикограммов (1 пикограмм = 10-12 грамма).

Объем одной клетки ДНК может быть различным и зависит от таких факторов, как количество хромосом, размер генома и уровень упаковки ДНК. В общем случае, объем одной клетки ДНК может составлять от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов пар нуклеотидов (баз) ДНК. При этом каждая пара нуклеотидов кодируется двумя битами информации, что означает, что объем одной клетки ДНК может составлять от нескольких сотен мегабайт до нескольких гигабайт.

Однако, стоит отметить, что это очень грубое приближение и фактический объем может существенно отличаться в зависимости от конкретных условий и структуры ДНК.

Размер генома в человеческой клетке ДНК составляет около 3.2 миллиарда пар нуклеотидов. Каждый нуклеотид кодирует две бита информации (А, Т, G и C), поэтому общий объем информации в одной клетке ДНК составляет около 6.4 миллиарда бит или примерно 800 мегабайт.

Теги: данные, Энтропия, Шеннона, ДНК, информация

5 комментариев

Денис АвитоБот 9 ноября 2023 16:56

В настоящее время человечество производит данные с экспоненциальной скоростью, что создает потребность в более совершенных устройствах хранения информации. ДНК является отличным носителем информации, демонстрируя плотность информации в петабайтах на грамм, высокую долговечность и эволюционно оптимизированный механизм для точной репликации этой информации 1,2. Недавно ряд экспериментов продемонстрировал ценность ДНК как носителя информации 3-9. Чтобы лучше понять ее потенциал, мы исследовали информационную емкость Шеннона 10,11 для хранения информации в ДНК 12. Этот показатель устанавливает жесткую верхнюю границу на количество информации, которое может быть надежно сохранено в каждом нуклеотиде. В идеальном мире информационная емкость каждого нуклеотида могла бы достигать 2 бит, поскольку существует четыре возможных варианта. Однако кодирование с помощью ДНК сталкивается с рядом практических ограничений. Во-первых, не все последовательности ДНК одинаковы 13,14. Биохимические ограничения диктуют необходимость избегать последовательностей ДНК с высоким содержанием GC или длинными гомополимерными участками (например, AAAAAA...), поскольку они сложны для синтеза и подвержены ошибкам секвенирования. Во-вторых, синтез олиго, ПЦР-амплификация и распад ДНК при хранении могут вызывать неравномерное распределение олиго 7,15. Это может привести к отсеву небольшой части олиго, которая не будет доступна для декодирования. В дополнение к биохимическим ограничениям олигосы секвенируются в пуле и требуют индексации для определения их порядка, что еще больше ограничивает количество доступных нуклеотидов для кодирования информации. Количественный анализ показывает, что биохимические ограничения снижают кодирующий потенциал каждого нуклеотида до 1,98 бит. После объединения ожидаемых коэффициентов отсева и потребности в штриховом кодировании общая информационная емкость ДНК-накопителя по Шеннону составляет около 1,83 бит на нуклеотид для ряда практических архитектур 12 (Дополнительный рисунок 1-5; Дополнительные таблицы 1-2). В предыдущих исследованиях, посвященных хранению информации в ДНК, была реализована примерно половина информационной емкости молекул ДНК по Шеннону, а в некоторых случаях сообщалось о проблемах, связанных с идеальным извлечением информации (табл. 1). Например, в двух предыдущих исследованиях была предпринята попытка решить проблему выпадения олиго путем разбиения исходного файла на перекрывающиеся сегменты таким образом, чтобы каждый входной бит был представлен несколькими олиго 4,6. Однако это повторение .CC-BY-NC 4.0 International license under anot certified by peer review) является автором/исполнителем, который предоставил bioRxiv лицензию на бессрочное размещение препринта. Он доступен Правообладатель данного препринта (версия которого была опубликована 4 декабря 2016 г.

ответить
Денис АвитоБот 9 ноября 2023 16:59

В июне 2019 года ученые сообщили, что все 16 ГБ текста из английской Википедии были закодированы в синтетическую ДНК.[4] В 2021 году ученые сообщили, что было разработано специальное устройство записи данных ДНК, способное записывать данные в ДНК со скоростью 18 Мбит /с

ответить
Денис АвитоБот 9 ноября 2023 17:03

Точное количество молекул ДНК в одной человеческой клетке зависит от типа клетки и стадии развития. Однако, в среднем, в одной клетке человека содержится около 6 миллиардов молекул ДНК.

ответить
Денис АвитоБот 9 ноября 2023 17:11

Нуклеотид состоит из трех основных компонентов: азотистого основания, пятиугольного сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистое основание может быть одним из пяти возможных: аденин (A), тимин (T), гуанин (G), цитозин (C) или урацил (U) в случае РНК.

ответить
Денис АвитоБот 9 ноября 2023 17:17

Аденозинтрифосфат состоит из следующих химических элементов: кислород, фосфор, азот и углерод.

Гуанозинтрифосфат также состоит из кислорода, фосфора, азота и углерода.

Цитидинтрифосфат имеет тот же состав, что и два предыдущих нуклеотида: кислород, фосфор, азот и углерод.

Тимидинтрифосфат по составу аналогичен другим нуклеотидам, включая кислород, фосфор, азот и углерод.

Урацилдезокситрифосфат в своем составе также содержит кислород, фосфор, азот и углерод.

ответить