Носій інформації

Реферат: UA 85375 U UA 85375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до інформаційних технологій і може бути використана в системах зберігання даних. Запропонований носій належить до носіїв з багаторазовим записом та перезаписом даних. Для запису інформації, представленої в цифровій формі широко використовуються оптичні носії (зокрема компакт-диски), в яких інформація записується в світлочутливому шарі, який нанесено на підкладку з доріжками стеження. В доріжці стеження також записується службова інформація (про тип носія, виробника, а також позначки синхронізації). В залежності від фізикохімічних властивостей світлочутливого шару створюються оптичні носії з одноразовим записом (типу CD-R, DVD-R, BD-R), в яких запис здійснюється утворенням мікроотворів (пітів) або носії з багаторазовим записом (типу CD-RW, DVD-RW, BD-RE), в яких запис здійснюється за рахунок зворотного фазового переходу між аморфною і полікристалічною фазами в напівпровідникових матеріалах. Відомо, що найдовший строк зберігання даних забезпечують оптичні носії, на які інформація записується в процесі виготовлення носіїв (носії типу ROM). Інформація записується у вигляді пітів різної довжини вздовж інформаційних доріжок (найчастіше спіральних) і не може бути змінена. Відомий оптичний носій (компакт-диск), який складається з полікарбонатної підкладки, на яку в процесі виготовлення наносять доріжки стеження зі службовою інформацією, світлочутливого шару та захисних шарів [1]. Такі носії широко використовуються для запису інформації в цифровому вигляді, однак не забезпечують довготермінового зберігання даних. Це в першу чергу пов'язано з фізико-хімічними властивостями підкладок, виготовлених з полікарбонату. В процесі тривалого зберігання відбувається неконтрольована зміна розмірів і форми сформованих мікрорельєфних структур (доріжок, пітів, відбитків). Багаторазові відтворення записаної інформації за рахунок локального підвищення температури також призводять до деформації утворених на поверхні носія мікрорельєфних структур, з використанням яких кодується представлена на носіях інформація. Особливо значними ці зміни стають при зменшенні геометричних розмірів пітів і доріжок (на BD носіях). Останнім часом увагу дослідників у галузі запису та збереження інформації привертають біологічні носії, наприклад, біологічний носій інформації, за який використовують ДНК (http://2010.igem.org/Team:Hong Kong-CUNK). Вже опублікована інформація про декілька вдалих спроб використання експериментальних технологій запису/зчитування інформації в ДНК. Молекула ДНК зберігає інформацію в четвірковій системі числення, по кількості нуклеотидів (0 А, 1 -Т, 2 -С, 3-G). Це дуже компактний контейнер з щільністю запису в тисячі разів більше, ніж у відомих на сьогодні носіїв. Зрозуміло, що застосування таких носіїв інформації потребує створення нових способів та технологій, щодо запису, зчитування, кодування, декодування інформації, вирішення проблем із повторюваністю послідовності бітів інформації, надлишкове дублювання, корекція помилок тощо. Але вже перші спроби дають дуже оптимістичні результати, зокрема попередні розрахунки інформаційної щільності запису дають показники 2,2 петабайт на 1 грам біологічного матеріалу, надійність зчитування складає 100 %. В основі використання ДНК, як носія інформації, полягає технологія кодування, що дозволяє перетворити кілобайти інформації в генетичний код та навпаки. Якщо на цифровому носії інформація зберігається у вигляді послідовності нулів та одиниць, то в ДНК запис здійснюється за допомогою послідовності нуклеотидів. Відзначимо також переваги ДНК, як носія інформації, перед іншими способами зберігання інформації: 1. Щільна упаковка (1 г ДНК еквівалентний приблизно 1 млн. дисків CD); 2. Довготермінове зберігання інформації (зрозуміло, що все залежить від умов); 3. Надійність (можна зауважити, що в ДНК містяться усі події з моменту зародження життя на Землі і до наших днів). Задачею корисної моделі, що заявляється, є розробка носія інформації, що здатний вміщувати великий об'єм даних, зберігати ці дані протягом, практично необмеженого строку, з можливістю поповнення інформації, швидкого пошуку та зчитування інформації. Винахідниками було знайдено такий носій інформації, можливості якого за об'ємом записаної інформації на декілька порядків перевищує об'єм інформації, яку можна зберігати у ДНК. Таким носієм є поліпептиди рослинного походження. Було знайдено, що поліпептиди малих розмірів, молекулярна маса яких знаходиться у діапазоні від 1 до 150 кДа, а первинна структура містить від 1 до 10 амінокислот, при створенні певних умов та організації, можуть утворювати банк даних, до якого можна записати та зберігати дуже великі об'єми інформації. Ці 1 UA 85375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 об'єми даних можна порівнювати з об'ємами даних, що містяться на десятках мільярдів носіїв (CD-R, DVD-R, BD-R). Для того, щоб мати можливість практичного використання зазначеного вище носія інформації, йому треба було надати придатної форми та структури. Несподівано винахідниками було знайдено, що якщо поліпептидам рослинного походження придати форму рідкого кристалу у водному буферному розчині, то ця форма дозволяє: поперше, зберігати стабільну структуру, зовнішній розмір, по-друге, зберігати природну активність поліпептидів, по-третє, не обмежує можливість обміну інформацією з таким носієм, тобто можливість записувати та зчитувати інформацію, по-четверте, протягом практично необмежного часу зберігати зазначені вище можливості. Отже, поставлена задача вирішується тим, що як носій для довготермінового зберігання інформації використовується рідкий кристал з поліпептидів рослинного походження малих розмірів, молекулярна маса яких знаходиться у діапазоні від 1 до 150 кДа, а первинна структура містить від 1 до 10 амінокислот. Процедура утворення рідких кристалів з різних речовин відома середнім фахівцям у цій галузі. Зазначимо, що процедура придання поліпептидам мезоморфної форми, тобто вигляду рідкого кристалу включає послідовність технологічних операцій, для яких, окрім безпосередніх операцій, важливе значення мають також і додаткові показники: температурні режими, тривалість кожної з окремих операцій, стерильність тощо. Оскільки технологія отримання рідкого кристалу не є об'єктом корисної моделі, що заявляється, винахідники приводять лише загальну схему цього перетворення. В цілому, процедура створення рідкого кристалу з поліпептидів рослинного походження включає наступні операції: • екстракція з рослинної сировини (екстрагувальний розчин містить, наприклад, 0,9 % NaCl в 0,004 М калій-фосфатному буфері); • отримання супернатанту після висалювання у 100 % соляному розчині (наприклад, сульфату амонію); • отримання супернатанту після очищування розчину від солей за допомогою фільтрації через паперовий фільтр (Miracloth, quick filtration material for gelatinous grindates, 18-50, Calbiochem, USA) з наступним фільтруванням через целюлозний фільтр; • отримання білкового розчину з наступною екстракцією та фільтруванням спочатку через целюлозний фільтр, потім через мембранний фільтр з порами 0,4 мкм (Millipore, Type GS 0,4); • стерилізація за допомогою мембранної фільтрації на мембранному фільтрі 0,22 мкм (Millipore, Type GS, 0,22) та наступна гель-фільтрувальна хроматографія за допомогою Toyopearl HW-55 (TSK-GEL, Toyopearl HW-55 Fine Toyo Soda MFG, Co, LTD) у результаті якої отримуємо стандартизований буферний розчин з рівнем рН від 0,1 до 7,4 %; • стерилізація за допомогою мембранної фільтрації на мембранному фільтрі 0,22 мкм (Millipore, Type GS, 0,22) з наступною ліофілізацією; • оцінка чистоти та наступна стандартизація за допомогою хроматографічного фракціонування на Delta РАК СІ 8-waters; • механічне стискання за умови стерильності найвищого рівня; • упаковка в стерильний прозорий контейнер. Для визначення складу використовували спосіб високоефективної рідинної хроматографії (HPLC) з наступною тандемною мас-спектрометрією мас з використанням LTQ FT ICR спектрометра мас (Hybrid-2D-Linear Quadrupole Ion Trap, Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer), що дозволило ідентифікувати пептиди, які не приписані до відомих поліпептидів та білків. Молекулярна маса таких пептидів, в основному, знаходиться у діапазоні від 1 до 15 кДа. Винахідники припускають, що саме ця частина пептидів здатна вміщувати великі об'єми інформації, оскільки вони є найбільш "чистими" або "пустими", тобто найбільш придатними для запису інформації. Додаткові дослідження показали, що отриманий рідкий кристал з поліпептидів можна віднести до групи смекатичних рідких кристалів, які є самими кристалічними серед інших рідких кристалів. Для смекатичних кристалів характерна двомірна упорядкованість. Молекули розміщуються таким чином, щоб їх осі були паралельні. Більш того, вони "розуміють" команду "рівняйсь" і розміщуються в струнких рядах, упакованих на смекатичних площинах, та шеренгах - на нематичних площинах. Саме для смекатичних рідких кристалів характерна наявність довготривалої пам'яті. Передумовою використання поліпептидів як носія інформації є те, що поліпептиди складаються з послідовності амінокислот, які можна використовувати як "порожні" комірки для запису, зберігання та зчитування інформації. Оскільки зараз відомо двадцять амінокислот, то це 2 UA 85375 U 5 10 створює можливість використання системи числення з основою двадцять. Така кількість дає змогу не тільки записувати інформацію, яку попередньо перетворюють з двійкової (цифрової) системи у послідовність амінокислот, але й використовувати деякі амінокислоти як службові, що, у свою чергу, дозволяє заощаджувати місце при запису повторювань послідовностей амінокислот. Винахідниками запропоновано використання шістнадцяткової системи для запису інформації. Зрозуміло, що, основа системи числення може бути, в цілому, іншою, але в даному конкретному випадку застосування винахідники виходили з того, що перші шістнадцять амінокислот можна використати як інформаційні, а останні чотири амінокислоти (Т, V, W, Y), як службові. Дана система числення також використовується винахідниками для запису та читання інформації великого об'єму. Запропонована система числення не обмежує можливості винахідників використання й систем числення з іншою основою. Таблиця 1 Шістнадцяткова система числення 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 А В С D Е F 15 20 25 30 35 Амінокислота Назва Аланін Цистеїн Аспарагінова кислота Глутамінова кислота Фенілаланін Гліцин Гістидин Ізолейцин Лізин Лейцин Метіонін Аспарагін Пролін Глутамін Аргінін Серін Треонін Валін Триптофан Тірозин Код А С D Е F G Н I К L М N Р Q R S Т V W Y Двійкова система числення 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 Використовуючи зазначену вище систему числення (Табл. 1) перетворимо речення "It is a new information carrier" у послідовність амінокислот. Для первинного представлення обрана система кодування ASCII, але, в цілому, може бути обрана й інша система, наприклад, HTMLкод тощо. It is a new information carrier → [ASCII код]: 73 116 32 105 115 32 97 32 110 101 119 32 105 110 102 111 114 109 97 116 105 111 110 32 99 97 114 114 105 101 114 → [16-на Система числення]: 49 74 20 69 73 20 61 20 6E 65 77 20 69 6Е 66 6F 72 6D 61 74 69 6F 6Е 20 63 61 72 72 69 65 72 → [Дуплет амінокислот]: FL IF DA HL IE DA НС DA HR HG II DA HL HR HH HS ID HQ HC IE HL HS HR DA HE HA ID ID HL HG ID Отже, речення "It is a new information carrier" у запису послідовності пар амінокислот: "FLIFDAHLIEDAHCDAHRHGIIDAHLHRHHHSIDHQHCIEHLHSHRDAHEHAIDIDHLHGID". Для запису великого об'єму інформації використовується новий код, суть якого полягає в розбитті на велику кількість перекривних невеликих фрагментів та їх індексації (адресації), що вказує послідовність зчитування. Цей код розроблено з таким розрахунком, щоб запобігти повторенню символів. Розроблений код є одним з можливих варіантів кодування, приведений з метою демонстрації переваг кодування за допомогою послідовності амінокислот, та не обмежує права винахідників використовувати інші підходи до кодування. Для запису інформації запропоновані наступні службові дуплети амінокислот: ТТ - початок інформації; YY - кінець інформації; VT - наступний елемент заголовка; TV - кінець заголовка; TY 3 UA 85375 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - початок елемента заголовка; YT - кінець елемента заголовка; WT - початок дублювання; WY кінець дублювання; WW - кількість копій дублювання. Всю інформацію було розділено на фрагменти послідовностей амінокислот, кожний з яких вміщував 128 дуплетів амінокислот. Кожний фрагмент, окрім основної інформації мав власну адресу (16 дуплетів амінокислот), яка вказувала на місце цієї частки інформації серед інших, а також адресу наступної частки інформації (16 дуплетів амінокислот) та контрольну суму (8 дуплетів амінокислот). Перед підготовкою до запису інформації на носій було проведено багато різних досліджень для визначення внутрішньої структури носія, тобто для того, щоб знайти прийнятну послідовність запису інформації. Проведені дослідження показали, що за рахунок внутрішньомолекулярних взаємодій білки утворюють визначену просторову структуру, так звану "конформацію білків" й при цьому неможливо отримати два однакових носії, конформації білків яких співпадали. Несподівано експериментальним шляхом винахідники винайшли, що зовсім необов'язково визначати та запам'ятовувати початкову конформацію білків носія, тобто їх тривимірну просторову структуру, достатньо запам'ятовувати лінійну послідовність амінокислот при запису інформації. Запис інформації викликає приєднання до "активної" послідовності амінокислот нових ланцюгів, що приводить до змінення просторової структури білків носія. Отже, в носії після запису до нього інформації утворюються "нові лінійні послідовності амінокислот", конформації яких відрізняються від початкових. Також суттєвою відмінністю отриманих послідовностей амінокислот від початкових є те, що новоутворені послідовності містять записану до них інформацію. Для експериментальної перевірки носія винахідники обрали лікарські препарати Мукалтин (на 100 % складається із компонентів рослинного походження), Ацикловір (має чисто хімічне походження) та Глюкофаж (містить компоненти як натурального, так й штучного походження). По кожному із зазначених препаратів отримали частотно-резонансну характеристику, тобто випромінювання, яке характерно для кожного препарату. Після перетворення отриманих характеристик у цифровий вид, розміри отриманих послідовностей складали відповідно близько 700 Мбайт для Мукалтина та Глюкофажа та близько 4 Тбайт для Ацікловіру. Отриману інформацію використовували як експериментальну, для перевірки запису та правильності зчитування інформації на носій, який заявляється. Зрозуміло, що мало мати потенційний носій інформації, оскільки важливе значення також мають технології, пристрої, які вирішують задачі запису, зчитування інформації з носіїв, щільність запису, час запису, час зчитування тощо. Сучасні технології все більше та частіше включають пристрої та засоби з використанням нанотехнологій, застосування лазерних технологій та оптоволоконних технологій. Об'єднання цих технологій та інших відомих технологій запису/зчитування інформації вже найближчим часом приведе до появи нових пристроїв з якісно новими надпотужними характеристиками: швидкістю запису та зчитування, щільністю запису інформації, тривалістю зберігання інформації тощо. Експериментальний пристрій, який винахідники використовували для запису/зчитування інформації на носій, який заявляється, не є об'єктом даної корисної моделі, отже у цьому опису надані тільки загальні етапи процесу запису/зчитування інформації. Оптоволоконна система включає та збиральну лінзу та розсіювальну лінзи, червоний лазер та оптику для запису/зчитування. При цьому, збиральна лінза використовується для запису даних, а розсіювальна лінза - для зчитування даних. В основі технології запису/зчитування лежить використання "біологічних хвиль", що дозволяє використовувати надвисокі швидкості як запису, так і зчитування інформації. Можливе застосування як окремих головок для запису та зчитування інформації, так й унікальної головки з інтегрованою оптикою, яка об'єднує функції запису та зчитування, точно спрямовує промінь лазера на потрібну ділянку носія інформації. Після запису інформації ніяких зовнішніх змін на носії не спостерігалося. Ця перевірка проводилася для того, щоб бути впевненими у тому, що внутрішні зміни просторової структури відбувалися тільки усередині носія. При зчитуванні інформації проводився аналіз отриманих послідовностей та зшивання їх в одне ціле за "адресою". Використання службових дуплетів амінокислот у поєднанні із розробленим кодом дозволив не тільки записати та зчитати інформацію, а також багаторазово перевірити правильність запису/зчитування кожного біту інформації. Ретельна перевірка хоча й зайняла багато часу, але не виявила помилок. 4 UA 85375 U 5 Вже перші вдалі спроби дали дуже оптимістичні результати, зокрема, попередні розрахунки інформаційної щільності запису дали показники 10,5-32,5 петабайт на 1 міліграм біологічного матеріалу, надійність зчитування складає 100 %. Носій інформації за корисною моделлю, що заявляється, може використовуватися у системах зберігання та обробки даних, а також, за умови розробки спеціалізованого обладнання стати основою для швидкісних обчислювальних систем нового покоління та знайти своє місце у нових інформаційних технологіях. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 1. Носій інформації у вигляді рідкого кристала у буферному розчині з поліпептидів рослинного походження малих розмірів, молекулярна маса яких знаходиться у діапазоні від 1 до 150 кДа, а первинна структура містить від 1 до 10 амінокислот. 2. Носій інформації за п. 1, який відрізняється тим, що молекулярна маса поліпептидів рослинного походження знаходиться у діапазоні від 1 до 15 кДа. 3. Носій інформації за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що рівень рН буферного розчину знаходиться у діапазоні від 0,1 до 7,4 %. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5