Wie viel Information ist im menschlichen Genom gespeichert?

Neulich unterhielt ich mich mit einem Freund, der ein wenig Informatik studiert hat. Das Gespräch verlagerte sich auf meine Forschung, und es kam die folgende Frage auf: Wie groß ist die Menge an digitaler Information, die in einem menschlichen Genom gespeichert ist? Ich begann, in den dunklen Ecken meines Gehirns zu suchen, aber mir wurde klar, dass ich die Antwort einfach nicht kannte. Also beschloss ich zu rechnen, um abzuschätzen, wie viele Informationen in unserem Genom gespeichert sind.

Die Informationsspeicherkapazität des Genoms

Das menschliche Genom enthält die gesamte genetische Information des Organismus in Form von DNA-Sequenzen, die in 23 Chromosomen gespeichert sind (22 autosomale Chromosomen und ein X- oder Y-Geschlechtschromosom), Strukturen, die aus DNA und Proteinen aufgebaut sind. Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen, die die ikonische Doppelhelix „verdrehte Leiter“ bilden, deren Rückgrat, das aus Zucker- und Phosphatmolekülen besteht, durch Sprossen aus stickstoffhaltigen Basen verbunden ist. Die DNA setzt sich aus 4 verschiedenen Basen zusammen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Diese Basen sind immer so gepaart, dass sich Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin verbindet. Diese Paarungen ergeben 4 verschiedene Basenpaarungsmöglichkeiten: A-T, T-A, G-C und C-G. Das haploide menschliche Genom (das nur eine Kopie jedes Chromosoms enthält) besteht aus etwa 3 Milliarden dieser Basenpaare, die auf 23 Chromosomen verteilt sind. Ein Mensch erbt zwei Genomsätze (einen von jedem Elternteil) und damit zwei Chromosomensätze, also insgesamt 46 Chromosomen, die das diploide Genom darstellen, das etwa 6×10^9 Basenpaare enthält.

Vergleich des Genoms mit der Speicherung von Computerdaten

Um eine DNA-Sequenz auf einem Computer darzustellen, müssen wir in der Lage sein, alle 4 Basenpaar-Möglichkeiten in einem binären Format (0 und 1) darzustellen. Diese 0- und 1-Bits werden normalerweise zu einer größeren Einheit zusammengefasst, wobei die kleinste Einheit ein „Byte“ ist, das 8 Bits darstellt. Wir können jedes Basenpaar mit mindestens 2 Bits bezeichnen, was zu 4 verschiedenen Bitkombinationen führt (00, 01, 10 und 11). Jede 2-Bit-Kombination würde ein DNA-Basenpaar darstellen. Ein einzelnes Byte (oder 8 Bits) kann 4 DNA-Basenpaare darstellen. Um das gesamte diploide menschliche Genom in Bytes darzustellen, können wir die folgenden Berechnungen anstellen:

6×10^9 Basenpaare/diploides Genom x 1 Byte/4 Basenpaare = 1,5×10^9 Bytes oder 1,5 Gigabytes, etwa 2 CDs Platzbedarf! Oder klein genug, um 3 separate Genome auf eine Standard-DVD zu packen!

Datenspeicherung über den gesamten Organismus

Eine interessante Frage könnte sich daraus ergeben. Wie viele Megabytes an genetischen Daten sind zum Beispiel im menschlichen Körper gespeichert? Der Einfachheit halber lassen wir das Mikrobiom (alle nicht-menschlichen Zellen, die in unserem Körper leben) außer Acht und konzentrieren uns nur auf die Zellen, aus denen unser Körper besteht. Die Schätzungen für die Anzahl der Zellen im menschlichen Körper liegen zwischen 10 Billionen und 100 Billionen. Als allgemein anerkannte Schätzung gehen wir von 100 Billionen Zellen aus. Wenn man also davon ausgeht, dass jede diploide Zelle 1,5 GB an Daten enthält (dies ist eine sehr grobe Schätzung, da ich nur die diploiden Zellen berücksichtige und die haploiden Spermien und Eizellen in unserem Körper ignoriere), beträgt die ungefähre Datenmenge, die im menschlichen Körper gespeichert ist:

1,5 Gbytes x 100 Billionen Zellen = 150 Billionen Gbytes oder 150×10^12 x 10^9 Bytes = 150 Zettabytes (10^21)!

Geschlechtlicher Informationsaustausch

Wie viele genetische Daten werden bei der menschlichen Fortpflanzung ausgetauscht?

Jede Samenzelle eines männlichen Individuums ist heterogametisch und haploid, d.h. sie enthält nur eines der beiden Geschlechtschromosomen (X oder Y) und nur einen Satz der 22 autosomalen Chromosomen. Somit enthält jedes Spermium etwa 3 Milliarden Basen genetischer Information, was 750 Mbyte digitaler Information entspricht. Das durchschnittliche menschliche Ejakulat enthält etwa 180 Millionen Samenzellen. Das sind also 180 x 10^6 haploide Zellen x 750 MByte/haploide Zelle = 135 x10^9 MByte=135000 Terabyte!!!! Wenn man diesen Gedanken weiterverfolgt, werden zwar 13500 Terabyte übertragen, aber nur eine Samenzelle verschmilzt mit einer Eizelle, wobei nur 750 Mbyte an Daten verwendet werden, die mit weiteren 750 Mbyte an Daten aus der Eizelle kombiniert werden. Somit gehen 99,9999 % der während der sexuellen Fortpflanzung übertragenen Daten in der Pipeline verloren … Ob der verbleibende Bruchteil der Informationen zu etwas Konstruktivem führt, bleibt der guten Erziehung überlassen.

Nachdem wir die obigen Zahlen errechnet haben, können wir uns eine ganze Reihe weiterer neugieriger Fragen stellen. Haben Sie sich schon einmal Gedanken über die Datenkapazität unseres biologischen Organismus gemacht? Wie hoch ist die Datenübertragungsrate bei der Zellteilung? Wie hoch ist die Datenübertragungsrate bei der Verschmelzung von Gameten? Wie hoch ist die Datenübertragungsrate, wenn menschliche Lymphozyten durch den Blutkreislauf zirkulieren? Wie viele Daten werden täglich durch Apoptose vernichtet? Wie viele Daten werden täglich erzeugt? Wie verhält sich das im Vergleich zur Datenübertragungsrate über eine Glasfaser?

Sie können gerne Ihre eigenen dubiosen Berechnungen und Fragen unten einbringen!