Биологи используют редактирование генов для хранения фильмов в ДНК
ДНК - отличная среда для архивирования данных. Недавние усилия учёных иллюстрируют потенциал хранения информации в ДНК с использованием синтезированных олигонуклеотидов. Относительно неизведанным способом хранения информации в ДНК является возможность записывать информацию в геном живой клетки путем добавления нуклеотидов в определённых интервалах времени. Однако учёные обнаружили, что система CRISPR-Cas имеет потенциал для записи произвольной информации в геном.
У пользователей Интернета есть множество форматов, в которых они могут сохранять свои файлы. При этом использование терминов и самой структуры файлов никогда не вызывала у нас особого интереса. Что же такого произошло, что биологов заинтересовал формат видео-файла в проводимых опытах?
Исследователи использовали систему CRISPR-Cas (сгруппированные регулярно пересекающиеся короткие палиндромные повторы) для кодирования фильма в геном бактерии, а именно Escherichia coli.
«Это технологическое достижение является шагом на пути создания сотовых систем записи, способных кодировать ряд событий на молекулярном уровне», - говорит Сет Шипман, синтетический биолог Гарвардской медицинской школы в Бостоне, штат Массачусетс. Изучая развитие мозга, Шипман разочаровался отсутствием техники фиксации того, как клетки мозга идентифицируют различную информацию. Это побудило его изучить возможность создания сотовых регистраторов.
«Ячейки имеют привилегированный доступ ко всем видам информации», - говорит он. «Я бы хотел, чтобы эти молекулярные записи функционировали в развивающейся нервной системе и записывали информацию».
Для разработки такой системы внедрения его команде необходимо было создать метод записи сотен событий в одну ячейку. Шипман и его коллеги, в том числе генетик Гарварда Джордж Черч, использовали уже известные данные иммунной системы CRISPR-Cas, которые позволили исследователям с относительной лёгкостью и точностью изменять геномы.
Команде Шипмана удалось научиться выделять фрагменты ДНК, ограждая их от вторжения вирусов, и хранить их в организованном массиве на уровне генома. В природе такие фрагменты нацелены на фермент, чтобы изменить ДНК (обычно это целенаправленная репликация ДНК, которую используют генетики для редактирования генов).
Команда разработала свою систему, чтобы эти фрагменты соответствовали пикселям изображения. Для визуализации исследователи использовали «штрих-код» каждого пикселя вместе со «штрих-кодом», который указывал его положение на изображении. Каждый кадр фильма состоял из 104 таких фрагментов ДНК.
Фильм, который был выбран исследователями, состоял из пяти адаптированных кадров из серии снимков известного фотографа Эдварда Мейбриджа . На графических файлах (в начале статьи) показана лошадь по имени Энни Дж., скачущая галопом (1887 год) в оригинале (слева) и запись в ДНК (справа).
Команда в течение пяти дней вводила ДНК в кишечную палочку по одному кадру за раз. Затем исследователи упорядочили короткие палиндромные повторы CRISPR в популяции определённых бактерий, чтобы воcпроизвести изображение. Поскольку система CRISPR фиксирует фрагменты ДНК последовательно, расположение каждого из них в массиве может быть использовано для определения исходного кадра, к которому принадлежал фрагмент.
Этот принцип пока не готов стать автономным рекордером, о котором нейробиолог Сет Шипман мечтал, изучая мозг. Для достижения этой цели необходимы значительные технологические достижения, отмечает биоинженер Рэндалл Платт в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе. Поскольку ячейка не занимает более одного фрагмента ДНК из каждого кадра, информация для фильма сохраняется в клетке разбитая по группам.
Следует отметить, что пока не удаётся передать массивы CRISPR в клетки млекопитающих.
Другие методы «CRISPR-Cas» могут преобразовывать РНК (одна из трёх основных макромолекул) в ДНК, которые затем используются в массиве CRISPR. Это может помочь исследованию массивов для отслеживания экспрессии генов без разрушения клеток, открытых для удаления РНК.
Виктор Жирнов, главный научный сотрудник Semiconductor Research Corporation в Дареме, штат Северная Каролина, называет работу «революционной», и надеется начать «возиться» с техникой в интересах исследовательского фонда. «Это как первый самолёт, пролетевший в 1903 году вызывающий восторг, недоверие и любопытство», - говорит Жирнов. «А десять лет спустя у нас была современная авиация».