Häromdagen hade jag en konversation med en vän som hade en viss bakgrund inom datavetenskap. Samtalet förflyttades till min forskning och följande fråga kom upp: Hur stor är mängden digital information som lagras i ett mänskligt genom? Jag började söka i de djupa mörka hörnen av min hjärna, men jag insåg att jag helt enkelt inte visste svaret. Så jag bestämde mig för att göra matematiken för att uppskatta hur mycket information som lagras i vårt genom.
Upplägg av genomets informationslagringskapacitet
Det mänskliga genomet innehåller hela organismens genetiska information i form av DNA-sekvenser som är lagrade i 23 kromosomer (22 autosomala kromosomer och en X- eller Y-könskromosom), strukturer som är organiserade av DNA och protein. En DNA-molekyl består av två strängar som bildar den ikoniska dubbelhelixen ”vriden stege”, vars ryggrad, som består av socker- och fosfatmolekyler, är förbunden med steg av kvävehaltiga baser. DNA består av fyra olika baser: Adenin (A), tymin (T), cytosin (C) och guanin (G). Dessa baser är alltid parade på ett sådant sätt att Adenin kopplas samman med Thymin och Cytosin kopplas samman med Guanin. Dessa parningar ger fyra olika möjligheter till baspar: A-T, T-A, G-C och C-G. Den haploida mänskliga arvsmassan (som bara innehåller en kopia av varje kromosom) består av ungefär 3 miljarder av dessa baspar grupperade i 23 kromosomer. En människa ärver två uppsättningar genomer (en från varje förälder) och därmed två uppsättningar kromosomer, vilket ger totalt 46 kromosomer, som representerar det diploida genomet, som innehåller cirka 6×10^9 baspar.
Varför kan man jämföra genomet med datalagring i en dator
För att kunna representera en DNA-sekvens på en dator måste vi kunna representera alla fyra basparmöjligheterna i ett binärt format (0 och 1). Dessa 0- och 1-bitar grupperas vanligtvis till en större enhet, där den minsta är en ”byte” som representerar 8 bitar. Vi kan beteckna varje baspar med minst 2 bitar, vilket ger 4 olika bitkombinationer (00, 01, 10 och 11). Varje 2-bitskombination representerar ett DNA-baspar. En enda byte (eller 8 bitar) kan representera 4 DNA-baspar. För att representera hela det diploida mänskliga genomet i form av bytes kan vi göra följande beräkningar:
6×10^9 baspar/diploid genom x 1 byte/4 baspar = 1,5×10^9 bytes eller 1,5 gigabyte, ungefär 2 cd-skivor med utrymme! Eller tillräckligt litet för att få plats med tre separata genomer på en standard-DVD!
Datalagring över hela organismen
Några intressanta frågor kan följa. Hur många megabyte genetiska data lagras till exempel i människokroppen? Låt oss för enkelhetens skull bortse från mikrobiomet (alla icke-mänskliga celler som lever i vår kropp) och bara fokusera på de celler som utgör vår kropp. Uppskattningarna av antalet celler i människokroppen varierar mellan 10 biljoner och 100 biljoner. Låt oss ta 100 biljoner celler som den allmänt accepterade uppskattningen. Med tanke på att varje diploid cell innehåller 1,5 GB data (detta är mycket ungefärligt, eftersom jag bara räknar med de diploida cellerna och bortser från de haploida spermie- och äggcellerna i vår kropp) är den ungefärliga mängden data som lagras i människokroppen:
1,5 Gbyte x 100 triljoner celler = 150 triljoner Gbyte eller 150×10^12 x 10^9 bytes = 150 Zettabytes (10^21)!!!
Könsligt informationsutbyte
Hur mycket genetisk information utbyts i samband med mänsklig reproduktion?Varje spermiecell i en manlig människa är heterogam och haploid, vilket innebär att den bara innehåller en av de två könskromosomerna (X eller Y) och bara en uppsättning av de 22 autosomala kromosomerna. Varje spermie innehåller alltså cirka 3 miljarder baser av genetisk information, vilket motsvarar 750 Mbyte digital information. Ett genomsnittligt mänskligt ejakulat innehåller cirka 180 miljoner spermier. Det är alltså 180 x 10^6 haploida celler x 750 Mbytes/haploid cell = 135 x10^9 Mbytes=135000 terabyte!!!! Om man följer denna idé ytterligare, medan 13500 Tbytes överförs, kommer endast en spermiecell att smälta samman med ett ägg och använda endast 750 Mbytes data, som kombineras med ytterligare 750 Mbytes data från ägget. Således går i princip 99,9999…% av de data som överförs under den sexuella reproduktionen förlorade i ledningen … Huruvida den återstående bråkdelen av informationen kommer att resultera i något konstruktivt är upp till god föräldraskap.
När man har räknat ut ovanstående siffror kan man ställa en hel rad andra nyfikna frågor. Har du någonsin funderat på vår biologiska organisms datakapacitet? Hur stor är dataöverföringshastigheten under celldelningen? Hur snabbt dataöverföringen sker vid fusion av könsceller? Hur snabbt dataöverföringen sker när mänskliga lymfocyter cirkulerar i blodomloppet? Hur mycket data förstörs dagligen genom apoptos? Hur mycket data skapas dagligen? Hur kan detta jämföras med dataöverföringshastigheten via en optisk fiber?
Föreslå gärna dina egna tvivelaktiga beräkningar och frågor nedan!
Har detta hjälpt dig? Dela gärna med dig till ditt nätverk.