Biologer fra Harvard University i USA kodet verdens første GIF, opprettet på 1800-tallet, i E. coli DNA. Forskerne brukte CRISPR / Cas9-teknologi for å sette nukleotider inn i bakteriell genom som samsvarer med pikslene som utgjør bildet. Å lese DNA-sekvensen gjorde det mulig å reprodusere videoen med 90 prosent nøyaktighet. Artikkelen om forskere ble publisert i tidsskriftet Nature.
Edward Muybridge kan betraktes som skaperen av GIF-animasjon. Han var den første som brukte kameraer for å skaffe en serie bilder. Ved hjelp av en spesiell enhet - et zoopraxiscope - laget han korte, loopede videoer ut av dem. Et av hans berømte verk - skudd med en galopperende hest - kom godt med for å løse tvisten om dyret alltid berører bakken med minst en fot under en galopp (det viste seg at det ikke gjorde det). Kronofotografi, oppfunnet av Muybridge, tjente som grunnlag for film. Imidlertid forventet fotografen neppe at bildene hans ville komme inn i DNA av mikrober (og han visste ikke om DNA).
Hvordan oppnådde forskerne dette? Det relativt nylig oppdagede CRISPR / Cas9-systemet har spilt en viktig rolle. Dette er navnet på den molekylære mekanismen som fungerer i bakterier og lar dem bekjempe virus. CRISPR er "kassetter" inne i DNA i en mikroorganisme, som består av gjentatte seksjoner og unike sekvenser - avstandsstykker - som er fragmenter av viralt DNA. Det vil si at CRISPR er en slags databank med informasjon om genene til patogene agenser. Cas9-proteinet bruker denne informasjonen til å identifisere fremmed DNA korrekt og gjøre den ufarlig ved å kutte på et bestemt sted.
Protospaceren samsvarer med sekvensen som en gang ble "stjålet" fra viruset og ble en spacer. Forskere bruker denne molekylære mekanismen. Avstandsstykket koder for crRNA, som Cas9-proteinet deretter er festet til. I stedet for crRNA kan du bruke et syntetisk RNA med en spesifikk sekvens - guide RNA (sgRNA) - og fortelle saksen hvor du skal lage de kutte forskerne vil ha.
Bakterien får avstandsstykker naturlig ved å låne protospacere fra patogene virus. Når fragmentet er satt inn i CRISPR, blir protospacer et tegn som gjør at mikroorganismen kan gjenkjenne infeksjonen.
CRISPR er imidlertid ikke begrenset til dette. Bioteknologer har funnet ut at disse "kassettene" kan registrere informasjon ved hjelp av forhåndssyntetiserte protospacere. Som ethvert DNA er en protospacer sammensatt av nukleotider. Det er bare fire nukleotider - A, T, C og G, men deres forskjellige kombinasjoner kan kode hva som helst. Slike data blir lest ved sekvensering - bestemmelse av nukleotidsekvenser i genomet til en organisme.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Forskere kodet først et firefarget og 21-farget bilde av en menneskelig hånd. I det første tilfellet tilsvarte hver farge en av fire nukleotider, i den andre en gruppe på tre nukleotider (triplett). Hver protospacer var en streng på 28 nukleotider, som inneholdt informasjon om et sett med piksler (piksel). For å skille mellom protospacers ble de merket med fire nukleotidstrekkoder. Inne i strekkoden kodet nukleotidet to sifre (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Så CCCT tilsvarte 00000001. Denne betegnelsen gjør det mulig å forstå i hvilken del av bildet denne eller den pikselet til en gitt piksel er lokalisert.
Kampanjevideo:
Det firefargede bildet av hånden besto av 56x56 piksler. All denne informasjonen (784 byte) passer inn i 112 protospacers. Det 21-fargede bildet var mindre (30x30 piksler), så 100 protospacers (494 byte) var nok til det.
Det er imidlertid ikke så lett å sette inn noen nukleotidsekvens i en bakterie, og forventer at den vil sette den inn i sitt eget DNA med 100% sannsynlighet. Derfor ble kombinasjonene av nukleotider i trillinger ikke valgt tilfeldig, men slik at det totale innholdet av G og C på rad var minst 50 prosent. Dette økte sjansene for at bakteriene anskaffet avstandsstykket.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacers ble introdusert i populasjonen av Escherichia coli ved elektroporering - dannelse av porer i lipidmembranen til bakterieceller under påvirkning av et elektrisk felt. Bakteriene hadde funksjonelt CRISPR og enzymkomplekset Cas1-Cas2, som gjorde det mulig å lage nye avstandsholdere basert på protospacere.
Mikroorganismene ble liggende over natten, og neste dag analyserte spesialister nukleotidsekvensene i CRISPR og leste pikselverdien. Lesenøyaktigheten nådde 88 og 96 prosent for henholdsvis firefarger og 21-fargede hender. Ytterligere studier viste at nesten fullstendig anskaffelse av avstandsstykker skjedde to timer og 40 minutter etter elektroporering. Selv om noen bakterier døde etter prosedyren, påvirket dette ikke resultatet.
Forskerne bemerket at noen avstandsstykker var mye vanligere hos bakterier enn andre. Det viste seg at dette var påvirket av nukleotider som befant seg helt på slutten av protospaceren og dannet et motiv (svakt variabel sekvens). Dette motivet, kalt AAM (anskaffelse som påvirker motivet), endte med en triplett TGA. Dette ble brukt av biologer til å kode animasjon i bakterier. Fem 21-fargede bilder av en løpehest ble tatt av den amerikanske fotografen Edward Muybridge. Størrelsen er 36 x 26 piksler.
Hver ramme ble kodet med et sett med 104 unike protospacers, og mengden informasjon nådde 2,6 kilobyte. Spesielle nukleotidmerker som tillater å skille sekvensen til en ramme fra sekvensen til en annen, ble ikke gitt. I stedet ble forskjellige populasjoner av bakterier brukt. Dermed har en enkelt organisme ennå ikke blitt brukt som informasjonsbærer.
Forskere har til hensikt å forbedre denne tilnærmingen. Imidlertid er så langt levende vesener langt bak de vanlige informasjonslagringsenhetene. Slike studier er primært rettet mot å belyse beregningsmulighetene til DNA-molekyler, som kan være nyttige for å lage DNA-datamaskiner som samtidig kan løse et stort antall problemer. Levende organismer er en praktisk plattform for vitenskapelig forskning, siden de allerede inneholder enzymer og andre stoffer som er nødvendige for modifisering av nukleotidkjeder.
Alexander Enikeev
