Биолози от Харвардския университет в САЩ кодираха първия в света GIF, създаден през 19 век, в ДНК на Е. coli. Изследователите са използвали технологията CRISPR / Cas9, за да вмъкнат нуклеотиди в бактериалния геном, които съответстват на пикселите, съставящи изображението. Четенето на ДНК последователността направи възможно възпроизвеждането на видеото с 90-процентна точност. Статията на учените е публикувана в списание Nature.
Едуард Мюбридж може да се счита за създател на
Как изследователите постигнаха това? Относително наскоро откритата система CRISPR / Cas9 изигра важна роля. Това е името на молекулярния механизъм, който действа вътре в бактериите и им позволява да се борят с вирусите. CRISPR са „касети“вътре в ДНК на микроорганизма, които са съставени от повтарящи се секции и уникални последователности - дистанционни елементи - които са фрагменти от вирусна ДНК. Тоест CRISPR е един вид банка данни с информация за гените на патогенните агенти. Протеинът Cas9 използва тази информация, за да идентифицира правилно чуждата ДНК и да я направи безвредна чрез рязане на определено място.
Protospacer съответства на последователността, която някога е била „открадната“от вируса и се е превърнала в спейсър. Учените използват този молекулярен механизъм. Разделителят кодира crRNA, към която след това е прикрепен протеинът Cas9. Вместо crRNA, можете да използвате синтетична РНК със специфична последователност - направляваща РНК (sgRNA) - и да кажете на ножицата къде да накарат учените да намалят.
Бактерията се сдобива с дистанционни елементи по естествен път, като взема назаем протопространства от патогенни вируси. След като фрагментът е вмъкнат в CRISPR, протопространството се превръща в знак, който позволява на микроорганизма да разпознае инфекцията.
CRISPR обаче не се ограничава само до това. Биотехнолозите са открили, че тези "касети" могат да записват информация с помощта на предварително синтезирани протопространства. Както всяка ДНК, протопространството е съставено от нуклеотиди. Има само четири нуклеотида - A, T, C и G, но техните различни комбинации могат да кодират всичко. Такива данни се четат чрез секвениране - чрез определяне на нуклеотидните последователности в генома на организма.
E. coli Снимка: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Учените първо кодираха четирицветно и 21-цветно изображение на човешка ръка. В първия случай всеки цвят съответства на един от четирите нуклеотида, във втория - на група от три нуклеотида (триплет). Всеки протопространник представлява низ от 28 нуклеотида, който съдържа информация за набор от пиксели (пиксел). За да се разграничат протопространството, те бяха етикетирани с четири нуклеотидни баркода. Вътре в баркода нуклеотидът кодира две цифри (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). И така, CCCT съответства на 00000001. Това обозначение дава възможност да се разбере в коя част на изображението се намира този или онзи пиксел на даден пиксел.
Промоционално видео:
Четирицветното изображение на ръката се състоеше от 56x56 пиксела. Цялата тази информация (784 байта) се побира в 112 протопространства. 21-цветното изображение беше по-малко (30x30 пиксела), така че 100 протопространства (494 байта) бяха достатъчни за него.
Въпреки това не е толкова лесно да се вмъкне която и да е нуклеотидна последователност в бактерия, надявайки се, че тя ще я вмъкне в собствената си ДНК със 100% вероятност. Следователно, комбинациите от нуклеотиди в тризнаци не са избрани произволно, но така че общото съдържание на G и C в един ред да е поне 50 процента. Това увеличи шансовете бактериите да спечелят дистанционера.
Снимка: Център Хари Рансъм
Protospacers бяха въведени в популацията на Escherichia coli чрез електропорация - създаването на пори в липидната мембрана на бактериалните клетки под действието на електрическо поле. Бактериите притежаваха функционален CRISPR и ензимен комплекс Cas1-Cas2, което направи възможно създаването на нови дистанционни елементи, базирани на протопространства.
Микроорганизмите бяха оставени за една нощ и на следващия ден специалистите анализираха нуклеотидните последователности в CRISPR и отчетоха стойността на пикселите. Точността на четене достига съответно 88 и 96 процента за четирицветни и 21-цветни ръце. Допълнителни проучвания показват, че почти пълното придобиване на дистанционни елементи се случва два часа и 40 минути след електропорацията. Въпреки че някои бактерии умряха след процедурата, това не повлия на резултата.
Учените отбелязват, че някои дистанционни елементи са много по-често срещани при бактериите, отколкото други. Оказа се, че това е повлияно от нуклеотиди, разположени в самия край на протопространството и образуващи мотив (слабо променлива последователност). Такъв мотив, наречен AAM (мотив, засягащ придобиването), завършва с TGA триплет. Това се използва от биолози за кодиране на анимацията в бактериите. Пет 21-цветни снимки на бягащ кон са заснети от американския фотограф Едуард Муйбридж. Размерът им е 36 на 26 пиксела.
Всеки кадър беше кодиран с набор от 104 уникални протопространства, а количеството информация достигна 2,6 килобайта. Не бяха предоставени специални нуклеотидни етикети, позволяващи да се разграничи последователността на една рамка от последователността на друга. Вместо това бяха използвани различни популации от бактерии. По този начин нито един организъм все още не е използван като носител на информация.
Учените възнамеряват да подобрят този подход. Досега обаче живите същества са далеч зад обичайните устройства за съхранение на информация. Такива изследвания са насочени главно към изясняване на изчислителните възможности на ДНК молекулите, което може да бъде полезно за създаването на ДНК компютри, способни едновременно да решават огромен брой проблеми. Живите организми са удобна платформа за научни изследвания, тъй като вече съдържат ензими и други вещества, необходими за модифицирането на нуклеотидни вериги.
Александър Еникеев
