L’altro giorno stavo avendo una conversazione con un mio amico che ha un certo background in informatica. La conversazione si è spostata sulla mia ricerca ed è venuta fuori la seguente domanda: Qual è la quantità di informazioni digitali memorizzate in un genoma umano? Ho iniziato a cercare nei profondi angoli bui del mio cervello, ma mi sono reso conto che semplicemente non conoscevo la risposta. Così ho deciso di fare i conti per stimare quanta informazione è immagazzinata nel nostro genoma.
Segnalazione della capacità di immagazzinare informazioni del genoma
Il genoma umano contiene l’informazione genetica completa dell’organismo come sequenze di DNA immagazzinate in 23 cromosomi (22 cromosomi autosomici e un cromosoma sessuale X o Y), strutture che sono organizzate da DNA e proteine. Una molecola di DNA è composta da due filamenti che formano l’iconica doppia elica “scala attorcigliata”, la cui spina dorsale, costituita da molecole di zucchero e fosfato, è collegata da pioli di basi contenenti azoto. Il DNA è composto da 4 basi diverse: Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) e Guanina (G). Queste basi sono sempre accoppiate in modo tale che l’Adenina si colleghi alla Timina e la Citosina alla Guanina. Questi accoppiamenti producono 4 diverse possibilità di coppia di basi: A-T, T-A, G-C e C-G. Il genoma umano aploide (che contiene solo 1 copia di ogni cromosoma) consiste di circa 3 miliardi di queste coppie di basi raggruppate in 23 cromosomi. Un essere umano eredita due set di genomi (uno da ciascun genitore), e quindi due set di cromosomi, per un totale di 46 cromosomi, che rappresentano il genoma diploide, che contiene circa 6×10^9 coppie di basi.
Paragonando il genoma alla memorizzazione dei dati del computer
Per rappresentare una sequenza di DNA su un computer, dobbiamo essere in grado di rappresentare tutte le 4 coppie di basi in un formato binario (0 e 1). Questi bit 0 e 1 sono di solito raggruppati insieme per formare un’unità più grande, con il più piccolo che è un “byte” che rappresenta 8 bit. Possiamo denotare ogni coppia di basi usando un minimo di 2 bit, il che produce 4 diverse combinazioni di bit (00, 01, 10 e 11). Ogni combinazione di 2 bit rappresenterebbe una coppia di basi del DNA. Un singolo byte (o 8 bit) può rappresentare 4 coppie di basi del DNA. Per rappresentare l’intero genoma umano diploide in termini di byte, possiamo eseguire i seguenti calcoli:
6×10^9 coppie di basi/genoma diploide x 1 byte/4 coppie di basi = 1,5×10^9 byte o 1,5 Gigabyte, circa 2 CD di spazio! O abbastanza piccolo da far stare 3 genomi separati su un DVD standard!
L’immagazzinamento dei dati in tutto l’organismo
Potrebbero seguire alcune domande interessanti. Per esempio, quanti megabyte di dati genetici sono immagazzinati nel corpo umano? Per semplicità, ignoriamo il microbioma (tutte le cellule non umane che vivono nel nostro corpo) e concentriamoci solo sulle cellule che compongono il nostro corpo. Le stime del numero di cellule nel corpo umano oscillano tra i 10 trilioni e i 100 trilioni. Prendiamo 100 trilioni di cellule come stima generalmente accettata. Quindi, dato che ogni cellula diploide contiene 1,5 GB di dati (questo è molto approssimativo, dato che sto tenendo conto solo delle cellule diploidi e ignorando gli spermatozoi e le cellule uovo aploidi nel nostro corpo), la quantità approssimativa di dati memorizzati nel corpo umano è:
1,5 Gbyte x 100 mila miliardi di cellule = 150 mila miliardi di Gbyte o 150×10^12 x 10^9 byte = 150 Zettabyte (10^21)!
Scambio di informazioni sessuali
Sulla stessa linea, quanti dati genetici vengono scambiati durante la riproduzione umana? Ogni cellula di sperma in un maschio umano è eterogama e aploide, il che significa che contiene solo uno dei due cromosomi sessuali (X o Y) e solo una serie dei 22 cromosomi autosomici. Così, ogni spermatozoo contiene circa 3 miliardi di basi di informazioni genetiche, che rappresentano 750 Mbyte di informazioni digitali. L’eiaculato umano medio contiene circa 180 milioni di spermatozoi. Quindi, sono 180 x 10^6 cellule aploidi x 750 Mbyte/cellula aploide = 135 x10^9 Mbyte=135000 Terabyte!!!! Seguendo questa idea ancora di più, mentre vengono trasferiti 13500 Tbyte, solo una cellula spermatica si fonderà con un uovo, utilizzando solo 750 Mbyte di dati, combinandoli con altri 750 Mbyte di dati dall’uovo. Quindi, essenzialmente il 99,9999…% dei dati trasferiti durante la riproduzione sessuale si perde nel processo… Se la frazione rimanente di informazioni si tradurrà in qualcosa di costruttivo è una questione di buona educazione.
Dopo aver elaborato i numeri di cui sopra, si possono fare un sacco di altre domande curiose. Vi siete mai chiesti quale sia la capacità di dati del nostro organismo biologico? Qual è la velocità di trasmissione dei dati durante la divisione cellulare? Il tasso di trasmissione dei dati durante la fusione dei gameti? La velocità di trasmissione dei dati quando i linfociti umani circolano nel sangue? Quale quantità di dati viene distrutta ogni giorno dall’apoptosi? Quale quantità di dati viene creata ogni giorno? Come si confronta questo con la velocità di trasferimento dati attraverso una fibra ottica?
Sentitevi liberi di contribuire con i vostri calcoli dubbi e le vostre domande qui sotto!
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