Biologer från Harvard University i USA kodade världens första GIF, skapad på 1800-talet, i E. coli DNA. Forskarna använde CRISPR / Cas9-tekniken för att infoga nukleotider i det bakteriella genomet som matchar pixlarna som utgör bilden. Att läsa DNA-sekvensen gjorde det möjligt att reproducera videon med 90 procents noggrannhet. Forskarnas artikel publicerades i tidskriften Nature.
Edward Muybridge kan betraktas som skaparen av GIF-animering. Han var den första som använde kameror för att få en serie bilder. Med hjälp av en speciell enhet - ett zoopraxiskop - gjorde han korta, loopade videor av dem. Ett av hans berömda verk - skott med en galopperande häst - kom till nytta för att lösa tvisten om djuret alltid berör marken med minst en fot under en galopp (det visade sig att det inte gjorde det). Kronofotografi, uppfunnen av Muybridge, tjänade som grund för filmografi. Men fotografen föreställde sig knappast att hans bilder skulle komma in i mikrobernas DNA (och han visste inte om DNA).
Hur uppnådde forskarna detta? Det relativt nyligen upptäckta CRISPR / Cas9-systemet har spelat en viktig roll. Detta är namnet på den molekylära mekanism som fungerar inuti bakterier och låter dem bekämpa virus. CRISPR är "kassetter" inuti DNA i en mikroorganism, som består av upprepade sektioner och unika sekvenser - distanser - som är fragment av viralt DNA. Det vill säga CRISPR är en slags databank med information om generna av patogena medel. Cas9-proteinet använder denna information för att korrekt identifiera främmande DNA och göra det ofarligt genom att skära på en specifik plats.
Protospacer matchar sekvensen som en gång "stulits" från viruset och blev en spacer. Forskare använder denna molekylära mekanism. Distansstycket kodar för crRNA, till vilket Cas9-proteinet sedan är fäst. Istället för crRNA kan du använda ett syntetiskt RNA med en specifik sekvens - guide RNA (sgRNA) - och berätta saxen var du ska göra de klippta forskarna vill ha.
Bakterien får spacers naturligt genom att låna protospacers från patogena virus. När fragmentet väl har införts i CRISPR blir protospacer ett tecken som gör att mikroorganismen kan känna igen infektionen.
CRISPR är dock inte begränsat till detta. Biotekniker har funnit att dessa "kassetter" kan spela in information med hjälp av för-syntetiserade protospacers. Precis som alla DNA består en protospacer av nukleotider. Det finns bara fyra nukleotider - A, T, C och G, men deras olika kombinationer kan koda vad som helst. Sådana data läses genom sekvensering - bestämning av nukleotidsekvenser i genomets organism.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Forskare kodade först en fyrfärgad och 21-färgad bild av en mänsklig hand. I det första fallet motsvarade varje färg en av fyra nukleotider, i den andra en grupp med tre nukleotider (triplett). Varje protospacer var en sträng på 28 nukleotider, som innehöll information om en uppsättning pixlar (pixel). För att urskilja protospacers märktes de med fyra nukleotidstreckkoder. Inuti streckkoden kodade nukleotiden två siffror (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Så CCCT motsvarade 00000001. Denna beteckning gör det möjligt att förstå i vilken del av bilden en viss pixel av en given pixel finns.
Kampanjvideo:
Den fyrfärgade bilden av handen bestod av 56x56 pixlar. All denna information (784 byte) passar in i 112 protospacers. Bilden med 21 färger var mindre (30x30 pixlar), så 100 protospacers (494 byte) räckte för det.
Det är dock inte så lätt att infoga någon nukleotidsekvens i en bakterie, i hopp om att den kommer att infoga den i sitt eget DNA med 100% sannolikhet. Därför valdes inte kombinationerna av nukleotider i tripletter slumpmässigt utan så att det totala innehållet av G och C i rad var minst 50 procent. Detta ökade chanserna för att bakterierna skulle skaffa distansen.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacers infördes i populationen av Escherichia coli genom elektroporation - skapandet av porer i lipidmembranet i bakterieceller under inverkan av ett elektriskt fält. Bakterierna hade funktionellt CRISPR och enzymkomplexet Cas1-Cas2, vilket gjorde det möjligt att skapa nya distanser baserade på protospacers.
Mikroorganismerna lämnades över natten och nästa dag analyserade specialister nukleotidsekvenserna i CRISPR och läste pixelvärdet. Läsnoggrannheten nådde 88 respektive 96 procent för händer med fyra färger respektive 21 färger. Ytterligare studier visade att nästan fullständigt förvärv av distanser skedde två timmar och 40 minuter efter elektroporering. Även om vissa bakterier dog efter proceduren påverkade detta inte resultatet.
Forskarna noterade att vissa distanser var mycket vanligare hos bakterier än andra. Det visade sig att detta påverkades av nukleotider som ligger i slutet av protospacern och bildade ett motiv (svagt variabel sekvens). Detta motiv, kallat AAM (förvärv som påverkar motivet), slutade med en triplett TGA. Detta användes av biologer för att koda animering i bakterier. Fem 21-färgskott av en löpande häst togs av den amerikanska fotografen Edward Muybridge. Deras storlek är 36 x 26 pixlar.
Varje ram kodades med en uppsättning av 104 unika protospacers, och mängden information nådde 2,6 kilobyte. Särskilda nukleotidmärken som gör det möjligt att skilja sekvensen för en ram från sekvensen för en annan tillhandahölls inte. Istället användes olika populationer av bakterier. Således har en enda organism ännu inte använts som informationsbärare.
Forskare avser att förbättra detta tillvägagångssätt. Men hittills är levande varelser långt efter de vanliga informationslagringsenheterna. Sådana studier syftar främst till att belysa DNA-molekylernas beräkningsförmåga, vilket kan vara användbart för att skapa DNA-datorer som samtidigt kan lösa ett stort antal problem. Levande organismer är en bekväm plattform för vetenskaplig forskning, eftersom de redan innehåller enzymer och andra ämnen som är nödvändiga för modifiering av nukleotidkedjor.
Alexander Enikeev
