Biolodzy z Uniwersytetu Harvarda w Stanach Zjednoczonych zakodowali pierwszy na świecie GIF, stworzony w XIX wieku, w DNA E. coli. Naukowcy wykorzystali technologię CRISPR / Cas9 do wstawienia nukleotydów do genomu bakterii, które pasują do pikseli tworzących obraz. Odczytanie sekwencji DNA umożliwiło odtworzenie wideo z 90-procentową dokładnością. Artykuł naukowców został opublikowany w czasopiśmie Nature.
Za twórcę animacji
Jak naukowcy to osiągnęli? Istotną rolę odegrał stosunkowo niedawno odkryty system CRISPR / Cas9. To nazwa mechanizmu molekularnego, który działa wewnątrz bakterii i pozwala im zwalczać wirusy. CRISPR to „kasety” wewnątrz DNA mikroorganizmu, które składają się z powtarzających się odcinków i unikalnych sekwencji - przerywników - czyli fragmentów wirusowego DNA. Oznacza to, że CRISPR jest rodzajem banku danych z informacjami o genach czynników chorobotwórczych. Białko Cas9 wykorzystuje te informacje do prawidłowej identyfikacji obcego DNA i uczynienia go nieszkodliwym poprzez cięcie w określonym miejscu.
Protoprzerywnik pasuje do sekwencji, która kiedyś została „skradziona” wirusowi i stała się odstępnikiem. Naukowcy wykorzystują ten mechanizm molekularny. Odstępnik koduje crRNA, do którego następnie przyłącza się białko Cas9. Zamiast crRNA można użyć syntetycznego RNA z określoną sekwencją - prowadzącym RNA (sgRNA) - i powiedzieć nożyczkom, gdzie wyciąć chcą naukowcy.
Bakteria naturalnie pozyskuje odstępniki, pożyczając protoprzerywniki z patogennych wirusów. Po wstawieniu fragmentu do CRISPR protoprzerywnik staje się znakiem, który pozwala mikroorganizmowi rozpoznać infekcję.
Jednak CRISPR nie ogranicza się do tego. Biotechnolodzy odkryli, że te „kasety” mogą rejestrować informacje przy użyciu wstępnie zsyntetyzowanych protoprzerywników. Jak każdy DNA, protoprzerywnik składa się z nukleotydów. Są tylko cztery nukleotydy - A, T, C i G, ale ich różne kombinacje mogą kodować wszystko. Takie dane są odczytywane przez sekwencjonowanie - określenie sekwencji nukleotydów w genomie organizmu.
E. coli - zdjęcie: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Naukowcy najpierw zakodowali czterokolorowy i 21-kolorowy obraz ludzkiej dłoni. W pierwszym przypadku każdy kolor odpowiadał jednemu z czterech nukleotydów, w drugim grupie trzech nukleotydów (triplet). Każdy protoprzerywnik był ciągiem 28 nukleotydów, który zawierał informacje o zestawie pikseli (piksela). Aby odróżnić protoprzerywniki, oznaczono je czterema kodami kreskowymi nukleotydów. Wewnątrz kodu kreskowego nukleotyd zakodował dwie cyfry (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Tak więc CCCT odpowiadało numerowi 00000001. To oznaczenie pozwala zrozumieć, w której części obrazu znajduje się dany piksel danego piksela.
Film promocyjny:
Czterokolorowy obraz dłoni składał się z 56x56 pikseli. Wszystkie te informacje (784 bajty) mieszczą się w 112 protoprzerywnikach. 21-kolorowy obraz był mniejszy (30x30 pikseli), więc wystarczyło 100 protoprzerywników (494 bajty).
Jednak nie jest łatwo wstawić jakąkolwiek sekwencję nukleotydową do bakterii, spodziewając się, że wprowadzi ją ona do własnego DNA ze 100% prawdopodobieństwem. Dlatego kombinacje nukleotydów w trojaczkach nie były wybierane losowo, ale tak, aby całkowita zawartość G i C w rzędzie wynosiła co najmniej 50 procent. Zwiększyło to szanse bakterii na zdobycie elementu dystansowego.
Zdjęcie: Harry Ransom Center
Protoprzerywniki zostały wprowadzone do populacji Escherichia coli przez elektroporację - tworzenie porów w błonie lipidowej komórek bakteryjnych pod wpływem pola elektrycznego. Bakterie posiadały funkcjonalny CRISPR i kompleks enzymatyczny Cas1-Cas2, co umożliwiło stworzenie nowych spacerów na bazie protoprzerywników.
Mikroorganizmy pozostawiono na noc, a następnego dnia specjaliści przeanalizowali sekwencje nukleotydów w CRISPR i odczytali wartość piksela. Dokładność odczytu osiągnęła 88 i 96 procent odpowiednio dla czterokolorowych i 21-kolorowych wskazówek. Dodatkowe badania wykazały, że prawie całkowite pozyskanie spacerów nastąpiło dwie godziny i 40 minut po elektroporacji. Chociaż niektóre bakterie zmarły po zabiegu, nie miało to wpływu na wynik.
Naukowcy zauważyli, że niektóre spacery były znacznie częstsze u bakterii niż inne. Okazało się, że miały na to wpływ nukleotydy znajdujące się na samym końcu protoprzerywnika i tworzące motyw (sekwencja słabo zmienna). Taki motyw, zwany AAM (ang. Acquisitionifying motif), kończył się trypletem TGA. Zostało to wykorzystane przez biologów do zakodowania animacji u bakterii. Pięć 21-kolorowych ujęć biegnącego konia wykonał amerykański fotograf Edward Muybridge. Ich rozmiar to 36 na 26 pikseli.
Każda ramka została zakodowana zestawem 104 unikalnych protoprzerywników, a ilość informacji osiągnęła 2,6 kilobajta. Nie dostarczono specjalnych znaczników nukleotydowych umożliwiających odróżnienie sekwencji jednej ramki od sekwencji innej. Zamiast tego wykorzystano różne populacje bakterii. Tak więc pojedynczy organizm nie był jeszcze używany jako nośnik informacji.
Naukowcy zamierzają ulepszyć to podejście. Jednak jak dotąd żywe istoty są daleko w tyle za zwykłymi urządzeniami do przechowywania informacji. Takie badania mają przede wszystkim na celu wyjaśnienie możliwości obliczeniowych cząsteczek DNA, które mogą być przydatne do tworzenia komputerów DNA zdolnych do jednoczesnego rozwiązywania ogromnej liczby problemów. Żywe organizmy są wygodną platformą do badań naukowych, ponieważ zawierają już enzymy i inne substancje niezbędne do modyfikacji łańcuchów nukleotydów.
Alexander Enikeev