DNA العالم

نوح ، صبي من كندا يبلغ من العمر ست سنوات ، مصاب بمرض ليس له اسم. ينظر الأطباء إلى الجزء المتقلص من الدماغ ، المسمى المخيخ ، في التصوير بالرنين المغناطيسي. إنهم يشتبهون في وجود خطأ مطبعي من بين ملايين الكلمات المكتوبة بأحرف شفرة نوح الجينية. لذلك يرسلون الحمض النووي للصبي إلى العالم عبر الإنترنت ، على أمل العثور على الخطأ نفسه في شخص آخر.

يمكن تحديد الخلل إذا تم العثور على نفس الخطأ في مكان ما باستخدام أدوات الشبكة. لذلك ، بدأ المطورون من تورنتو باختبار نظام لتبادل المعلومات الوراثية بين مؤسسات الرعاية الصحية في أوائل عام 2016. تضم الشبكة حاليًا مستشفيات من كندا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة. الغرض من نظام MatchMaker Exchange هو أتمتة إجراءات مقارنة الحمض النووي وعولمتها. الهدف من علماء الكمبيوتر العاملين في المشروع هو تقريب أساليب التسلسل الجيني من تقنيات الاتصالات الحديثة. يوجد بالفعل حوالي 200 XNUMX منهم في العالم. الأشخاص الذين تم تسلسل جينوماتهم. قريباً قد يصل عددهم إلى الملايين.

قام David Haussler ، أحد مؤسسي برنامج MatchMaker الكندي ، وهو عالم المعلوماتية الحيوية بجامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، مع مجموعة من الآخرين ، بتأسيس Global Genomics and Health Alliance ، GA2013GH ، في عام 4 ، والذي غالبًا ما يقارنه بمنظمة معايير الإنترنت. W3C. تمكنت العديد من الشخصيات المشهورة والشركات بأكملها ، مثل Google ، من الانضمام إلى المنظمة الجديدة ، وهي بذرة "World DNA". تلتزم GA4GH بتحسين البروتوكولات وتطوير واجهات البرمجة (APIs) وتنسيقات الملفات لنقل البيانات الجينية عبر الشبكة.

إن إحدى الحجج المؤيدة لإنشاء مثل هذا الإنترنت "الجيني" هو الحجم المتزايد بسرعة للبيانات المتولدة في المختبرات. تقوم أكبر المراكز وأكثرها كفاءة بترتيب الجينوم البشري بمعدل جينومين في الساعة (استغرق الأمر ثلاثة عشر عامًا لتسلسل أول إنسان). تشير التقديرات إلى أنه سيتم إنتاج 85 بيتابايت من البيانات في جميع أنحاء العالم هذا العام. في عام 2019 ، يجب أن يكون هناك ضعف هذا العدد. وكل هذا - ما لم يتم إنشاء شبكة عالمية والقدرة على البحث - سيكون في قواعد بيانات منعزلة يصعب الوصول إليها. في ظل هذه الظروف ، من المستحيل ، على سبيل المثال ، اختبار جميع الطفرات المماثلة التي تؤدي إلى نوع معين من السرطان ، مقارنة بالعقاقير والعلاجات المستخدمة. وستكون القدرة على المقارنة في قاعدة بيانات عالمية أداة رائعة للأطباء. لذلك أنشأ Haussler محرك بحث جيني يسمى Beacon قام بالبحث في عشرين قاعدة بيانات عامة للحمض النووي وطبق بروتوكولات GA4GH. يمكن للباحث طرح أسئلة حول مواقع "الحروف" الجينية على الكروموسومات الفردية للجينوم في قاعدة البيانات. على الرغم من الاعتراف بأهمية الوصول الواسع النطاق إلى تسلسل الحمض النووي لتقدم الطب ، هناك مقاومة كبيرة في المجتمع ، وكذلك بين الأطباء والباحثين ، لتبادل مثل هذه البيانات. تبدو فكرة وضع الجينوم البشري على الإنترنت مثيرة للجدل بالنسبة للكثيرين. لمنع انتهاكات الخصوصية ، يقدم GA4GH نموذج إنترنت من نظير إلى نظير.

البيانات في سلاسل أبدية

من ناحية ، نحن نسعى جاهدين لإنشاء إنترنت ببيانات الحمض النووي - من ناحية أخرى ، بدأ الحمض النووي في تمثيل بديل مثير للاهتمام لتسجيل بيانات الكمبيوتر. قبل بضعة أشهر ، قدمت مجموعة من العلماء السويسريين من معهد التكنولوجيا في زيورخ تقنية لتشفير البيانات في سلاسل الحمض النووي بطريقة يمكن تخزينها دون تلف وأخطاء لمدة تصل إلى ألفي عام! لا توجد تقنية أخرى معروفة لتسجيل البيانات البشرية يمكنها أن تضاهي هذه المتانة. بالطبع ، سيسأل الشخص الملتزم على الفور كيف كان من الممكن إثبات طول عمر آلاف السنين في عرض تقديمي واحد. اتضح أن السويسريين طوروا محاكاة لمثل هذه الفترة الطويلة من خلال تغليف خيوط الحمض النووي المعطاة في كرات سيليكون وتسخينها إلى درجة حرارة حوالي 72 درجة مئوية. وفقًا للعلماء ، فإن أسبوعًا من الإقامة في درجة الحرارة هذه يساوي 2. سنوات عند 10 درجات مئوية. بعد هذه المحاكاة فقط ، لم تُلاحظ أي أخطاء في التسجيل. يسلط الباحثون الضوء أيضًا على المزايا الأخرى للحلزون DNA كوسيط تخزين مقارنة بمحركات الأقراص الصلبة أو الأشرطة المغناطيسية. على سبيل المثال ، يمكن لقرص بحجم كتاب يبلغ خمسة تيرابايت تخزين هذه الكمية من البيانات في ظل ظروف مثالية لمدة تصل إلى خمسين عامًا. لن يكون الإدخال في رمز الحمض النووي ثنائيًا ، ولكنه سيعتمد على استخدام أربعة أحرف نيوكليوتيدية A و C و T و G. وبالحديث عن إنجازات السويسري ، قدم نيو ساينتست الحساب التالي: جرام واحد من الحمض النووي الجزيئي يمكن للسلاسل ترميز 455 إكسابايت من المعلومات ، ووفقًا لحسابات الشركة EMC Computer في عام 2011 ، بلغ إجمالي كمية البيانات التي تم جمعها على الأرض 1,8 زيتابايت. زيتابايت واحد يساوي ألف. إكسابايت ، لذلك هناك حاجة إلى حوالي 1 جرامات من الحمض النووي لتسجيل البيانات لعام 2011. بالطبع ، منذ عام 4 ، زاد حجم المعلومات العالمية قليلاً ، وربما ينبغي إضافة ثلاثة غرامات.

المعلوماتية الجينية

يزدهر من الجدير بالذكر أيضًا أن هناك بالفعل لغة برمجة للحمض النووي. تم تطويره في السنوات الأخيرة من قبل مجموعة من العلماء من جامعة واشنطن في الولايات المتحدة الأمريكية. من المفترض أنه يتحكم في تشغيل "الكمبيوتر الكيميائي" ، كما يطلق على الأنظمة المستخدمة في تخليق الحمض النووي. لا تقتصر الفكرة على التحكم في التفاعلات الكيميائية مثل الأتمتة والروبوتات وما إلى ذلك فحسب ، ولكن أيضًا للتحكم في جرعات الأدوية. إن إنشاء خوارزميات حاسوبية تجعل من الممكن ، على سبيل المثال ، تكييف جزيئات الحمض النووي الاصطناعية مع بيئة الأنسجة الحية التي تعمل فيها ، مهمة جادة. العالم البيولوجي أكثر تعقيدًا وغير منتظم من عالم الآلة. ومع ذلك ، فإن الصعوبة لا تعني المستحيل. "فكرتنا هي إنشاء لغة عالمية يمكن استخدامها في العديد من المهام المختلفة" ، أوضح جورج زيليج من فريق لغة برمجة الحمض النووي. سيتم استخدام هذه التقنية في النهاية ، من بين أشياء أخرى ، لبرمجة جزيئات التجميع الذاتي في الخلايا أو إنشاء أجهزة استشعار حيوية تراقب حالة الجسم على المستوى الخلوي. يمكن أن تساعد الخوارزمية المستخدمة في تسلسل الحمض النووي أيضًا في الحماية من الرسائل غير المرغوب فيها التي تغمر الإنترنت ، أي البريد العشوائي. البرنامج ، المسمى Chung Kwei (من تعويذة feng shui الصينية التي تحمي المنزل من الأرواح الشريرة) ، فعال بنسبة 97 بالمائة تقريبًا. كان يعتمد على خوارزمية تيريسياس السابقة (تيريسياس هو الكاهن اليوناني الأسطوري) الذي طوره علماء المعلومات الحيوية في مركز أبحاث IBM Thomas J. Watson في نيويورك للعمل على تسلسل الحمض النووي. بحث هذا البرنامج عن تسلسلات متكررة في سجلات الشفرة الجينية ، والتي عادةً ما توفر معلومات مهمة. بدلاً من الجينوم ، حلل العلماء 65 بيانات باستخدام خوارزمية. الأمثلة الأكثر شيوعًا للبريد العشوائي. تم التعامل مع كل بريد إلكتروني كسلسلة من الحمض النووي. تمكنا من العثور على 6 مليون تسلسل متكرر (أكثر من بريد إلكتروني) من الأحرف والأرقام. ثم تم تحليل قدر كبير من المراسلات العادية (تسمى أحيانًا لحم الخنزير - "لحم الخنزير" على عكس البريد العشوائي - "الإفطار"). تم حذف التسلسلات التي تكررت في الرسائل غير المرغوب فيها ولحم الخنزير. بعد ذلك ، تم تحليل المراسلات الواردة. كلما زاد عدد "تسلسلات البريد العشوائي" النموذجية لكل كيلو بايت من البريد الإلكتروني ، زاد التأكد من أنها بريد عشوائي. تم إيقاف رسالة واحدة فقط من أصل 65 رسالة بريد إلكتروني عادية عن طريق الخطأ ، ووصل معدل التعرف على البريد العشوائي إلى 96,56٪.