Jednou jsem se bavil s kamarádem, který má nějaké zkušenosti s informatikou. Rozhovor se stočil k mému výzkumu a padla následující otázka: Jaké je množství digitálních informací uložených v lidském genomu? Začal jsem pátrat v hlubokých temných zákoutích svého mozku, ale zjistil jsem, že odpověď prostě neznám. Rozhodl jsem se tedy spočítat, kolik informací je uloženo v našem genomu.
Vyčíslení informační kapacity genomu
Lidský genom obsahuje kompletní genetickou informaci organismu v podobě sekvencí DNA uložených ve 23 chromozomech (22 autozomálních chromozomech a jednom pohlavním chromozomu X nebo Y), strukturách, které jsou uspořádány z DNA a bílkovin. Molekula DNA se skládá ze dvou vláken, která tvoří ikonický dvoušroubovicový „kroucený žebřík“, jehož páteř, tvořená molekulami cukrů a fosfátů, je spojena příčkami z bází obsahujících dusík. DNA se skládá ze 4 různých bází: Adenin (A), tymin (T), cytosin (C) a guanin (G). Tyto báze jsou vždy spárovány tak, že adenin se připojuje k tyminu a cytosin ke guaninu. Tato párování vytvářejí 4 různé možnosti párování bází: A-T, T-A, G-C a C-G. Haploidní lidský genom (obsahující pouze 1 kopii každého chromozomu) se skládá ze zhruba 3 miliard těchto párů bází seskupených do 23 chromozomů. Člověk zdědí dvě sady genomů (od každého rodiče jednu), a tedy dvě sady chromozomů, celkem 46 chromozomů, což představuje diploidní genom, který obsahuje přibližně 6×10^9 párů bází.
Přirovnání genomu k ukládání dat v počítači
Chceme-li reprezentovat sekvenci DNA v počítači, musíme být schopni reprezentovat všechny 4 možnosti párů bází v binárním formátu (0 a 1). Tyto bity 0 a 1 se obvykle seskupují do větších jednotek, přičemž nejmenší je „byte“, který představuje 8 bitů. Každý pár bází můžeme označit pomocí minimálně 2 bitů, čímž získáme 4 různé kombinace bitů (00, 01, 10 a 11). Každá kombinace 2 bitů by představovala jeden pár bází DNA. Jeden bajt (neboli 8 bitů) může představovat 4 páry bází DNA. Abychom mohli reprezentovat celý diploidní lidský genom v podobě bajtů, můžeme provést následující výpočty:
6×10^9 párů bází/diploidní genom x 1 bajt/4 páry bází = 1,5×10^9 bajtů neboli 1,5 gigabajtu, tedy asi 2 CD v hodnotě místa! Nebo dost malý na to, aby se na standardní DVD vešly 3 samostatné genomy!
Uložení dat v celém organismu
Mohly by následovat zajímavé otázky. Například kolik megabajtů genetických dat je uloženo v lidském těle? Pro zjednodušení ignorujme mikrobiom (všechny nelidské buňky, které žijí v našem těle) a zaměřme se pouze na buňky, které tvoří naše tělo. Odhady počtu buněk v lidském těle se pohybují mezi 10 a 100 biliony. Vezměme 100 bilionů buněk jako obecně přijímaný odhad. Pokud tedy vezmeme v úvahu, že každá diploidní buňka obsahuje 1,5 GB dat (je to velmi přibližné, protože počítám pouze s diploidními buňkami a zanedbávám haploidní buňky spermií a vajíček v našem těle), přibližné množství dat uložených v lidském těle je:
1,5 GB x 100 bilionů buněk = 150 bilionů GB nebo 150×10^12 x 10^9 bajtů = 150 zettabajtů (10^21)!!!
Výměna pohlavních informací
Podle stejného vzoru, kolik genetických dat se vymění během lidského rozmnožování?Každá spermatická buňka lidského muže je heterogametická a haploidní, což znamená, že obsahuje pouze jeden ze dvou pohlavních chromozomů (X nebo Y) a pouze jednu sadu 22 autozomálních chromozomů. Každá spermie tedy obsahuje přibližně 3 miliardy bází genetické informace, což představuje 750 MB digitální informace. Průměrný lidský ejakulát obsahuje přibližně 180 milionů spermií. To je 180 x 10^6 haploidních buněk x 750 Mbytes/haploidní buňka = 135 x10^9 Mbytes=135000 terabytů!!!!. V návaznosti na tuto myšlenku ještě dále, zatímco se přenáší 13500 Tbytes, pouze jedna spermatická buňka splyne s vajíčkem, přičemž použije pouze 750 Mbytes dat a spojí je s dalšími 750 Mbytes dat z vajíčka. V podstatě se tedy 99,9999… % dat přenášených během pohlavního rozmnožování ztratí v potrubí… Zda zbývající zlomek informací vyústí v něco konstruktivního, je na dobrém rodiči.
Po vypracování výše uvedených čísel si lze položit celou řadu dalších zvídavých otázek. Přemýšleli jste někdy o datové kapacitě našeho biologického organismu? Jaká je rychlost přenosu dat při dělení buněk? Jaká je rychlost přenosu dat při splynutí gamet? Jaká je rychlost přenosu dat při cirkulaci lidských lymfocytů krevním řečištěm? Jaké množství dat se denně zničí při apoptóze? Jaké množství dat se denně vytvoří? Jak se to dá srovnat s rychlostí přenosu dat optickým vláknem?
Níže můžete přispět vlastními pochybnými výpočty a otázkami!
Pomohlo vám to? Pak se prosím podělte se svou sítí.
.