Keskustelin eräänä päivänä erään ystäväni kanssa, jolla oli jonkin verran taustaa tietotekniikasta. Keskustelu siirtyi tutkimukseeni ja esiin nousi seuraava kysymys: Mikä on ihmisen genomiin tallennetun digitaalisen tiedon määrä? Aloin etsiä vastausta aivojeni pimeistä nurkista, mutta tajusin, etten yksinkertaisesti tiennyt vastausta. Niinpä päätin tehdä laskutoimituksen arvioidakseni, kuinka paljon tietoa genomiimme on tallennettu.
Perimän informaation varastointikapasiteetti
Ihmisen genomi sisältää organismin koko geneettisen informaation DNA-sekvensseinä, jotka on tallennettu 23 kromosomiin (22 autosomaaliseen kromosomiin ja yhteen X- tai Y-sukupuolikromosomiin), DNA:sta ja proteiineista organisoituneisiin rakenteisiin. DNA-molekyyli koostuu kahdesta säikeestä, jotka muodostavat ikonisen kaksoiskierteisen ”kierrettyjen tikapuiden” muodostaman kaksoiskierteen, jonka sokeri- ja fosfaattimolekyyleistä koostuvaa selkärankaa yhdistävät typpeä sisältävien emästen muodostamat askelmat. DNA koostuu neljästä eri emäksestä: Adeniini (A), tymiini (T), sytosiini (C) ja guaniini (G). Nämä emäkset ovat aina pareittain siten, että adeniini liittyy tymiiniin ja sytosiini guaniiniin. Nämä pariliitokset tuottavat 4 eri emäsparivaihtoehtoa: A-T, T-A, G-C ja C-G. Haploidinen ihmisen genomi (joka sisältää vain yhden kopion kustakin kromosomista) koostuu noin 3 miljardista tällaisesta emäsparista, jotka on ryhmitelty 23 kromosomiin. Ihminen perii kaksi genomisarjaa (yhden kummaltakin vanhemmalta) ja siten kaksi kromosomisarjaa, eli yhteensä 46 kromosomia, jotka edustavat diploidista genomia, joka sisältää noin 6×10^9 emäsparia.
Vertaamalla genomia tietokoneen datan tallentamiseen
Voidaksemme esittää DNA-sekvenssin tietokoneella meidän on pystyttävä esittämään kaikki neljä emäsparivaihtoehtoa binäärimuodossa (0 ja 1). Nämä 0- ja 1-bitit ryhmitellään yleensä suuremmiksi yksiköiksi, joista pienin on ”tavu”, joka edustaa 8 bittiä. Jokaista emäsparia voidaan merkitä vähintään kahdella bitillä, jolloin saadaan neljä eri bittiyhdistelmää (00, 01, 10 ja 11). Kukin 2-bittinen yhdistelmä edustaa yhtä DNA-emäsparia. Yksi tavu (tai 8 bittiä) voi edustaa 4 DNA-emäsparia. Jotta voisimme esittää koko diploidisen ihmisen genomin tavuina, voimme suorittaa seuraavat laskutoimitukset:
6×10^9 emäsparia/diploidinen genomi x 1 tavu/4 emäsparia = 1,5×10^9 tavua eli 1,5 gigatavua eli noin 2 CD-levyn verran tilaa! Tai tarpeeksi pieni, jotta 3 erillistä genomia mahtuisi tavalliselle DVD-levylle!
Datan varastointi koko organismissa
Joitakin mielenkiintoisia kysymyksiä voisi seurata. Esimerkiksi, kuinka monta megatavua geneettistä dataa on tallennettu ihmiskehoon? Yksinkertaisuuden vuoksi jätetään mikrobiomi (kaikki muut kuin ihmisen solut, jotka elävät kehossamme) huomiotta ja keskitytään vain kehomme muodostaviin soluihin. Arviot ihmiskehon solujen määrästä vaihtelevat 10 ja 100 biljoonan välillä. Yleisesti hyväksytty arvio on 100 biljoonaa solua. Ottaen siis huomioon, että jokainen diploidinen solu sisältää 1,5 gigatavua dataa (tämä on hyvin likimääräistä, koska otan huomioon vain diploidiset solut ja jätän huomiotta kehossamme olevat haploidiset siittiö- ja munasolut), ihmiskehoon tallennetun datan likimäärä on:
1,5 gigatavua x 100 triljoonaa solua = 150 triljoonaa gigatavua tai 150×10^12 x 10^9 tavua = 150 zettatavua (10^21)!!!
Seksuaalinen tiedonvaihto
Miten paljon geneettistä tietoa vaihdetaan ihmisen lisääntymisen aikana?Ihmisen miehen jokainen siittiösolu on heterogameettinen ja haploidi, mikä tarkoittaa, että se sisältää vain toisen kahdesta sukupuolikromosomista (X tai Y) ja vain yhden 22 autosomaalisesta kromosomisarjasta. Näin ollen kukin siittiö sisältää noin 3 miljardia emästä geneettistä tietoa, mikä vastaa 750 megatavua digitaalista tietoa. Keskimääräinen ihmisen siemensyöksy sisältää noin 180 miljoonaa siittiöitä. Eli 180 x 10^6 haploidista solua x 750 megatavua/aploidinen solu = 135 x10^9 megatavua = 135000 teratavua!!!!. Kun tätä ajatusta jatketaan vielä pidemmälle, vaikka 13500 Tb:tä siirretään, vain yksi siittiösolu fuusioituu munasolun kanssa, jolloin käytetään vain 750 Mb:tä dataa, joka yhdistyy toiseen 750 Mb:hen munasolun dataa. Näin ollen olennaisesti 99,9999…% sukupuolisen lisääntymisen aikana siirrettävästä datasta häviää putkessa … Se, johtaako jäljelle jäävä murto-osa informaatiosta mihinkään rakentavaan tulokseen, jää hyvän vanhemmuuden varaan.
Kun edellä mainitut luvut on saatu selville, voidaan kysyä koko joukko muitakin uteliaita kysymyksiä. Oletko koskaan miettinyt biologisen elimistömme tietokapasiteettia? Mikä on tiedonsiirtonopeus solunjakautumisen aikana? Tiedonsiirtonopeus sukusolujen fuusion aikana? Tiedonsiirtonopeus, kun ihmisen lymfosyytit kiertävät verenkierrossa? Kuinka paljon dataa tuhoutuu päivittäin apoptoosissa? Kuinka paljon tietoa syntyy päivittäin? Miten tämä vertautuu optisen kuidun kautta tapahtuvan tiedonsiirron nopeuteen?
Kannattaa vapaasti esittää omia arveluttavia laskelmia ja kysymyksiä alla!
Onko tästä ollut apua? Jaa sitten verkostosi kanssa.