Biologové z Harvardovy univerzity ve Spojených státech kódovali první
Edwarda Muybridge lze považovat za tvůrce
Jak toho vědci dosáhli? Důležitou roli sehrál relativně nedávno objevený systém CRISPR / Cas9. Toto je název molekulárního mechanismu, který funguje uvnitř bakterií a umožňuje jim bojovat proti virům. CRISPR jsou „kazety“uvnitř DNA mikroorganismu, které jsou tvořeny opakujícími se sekcemi a jedinečnými sekvencemi - spacery - které jsou fragmenty virové DNA. To znamená, že CRISPR je druh databanky s informacemi o genech patogenních agens. Protein Cas9 používá tyto informace ke správné identifikaci cizí DNA a zneškodnění řezáním na konkrétním místě.
Protospacer odpovídá sekvenci, která byla kdysi „ukradena“viru a stala se spacerem. Vědci používají tento molekulární mechanismus. Spacer kóduje crRNA, ke které je potom připojen protein Cas9. Místo crRNA můžete použít syntetickou RNA se specifickou sekvencí - naváděcí RNA (sgRNA) - a sdělte nůžkám, kam mají vědci stříhat.
Bakterie získává spacery přirozeně vypůjčováním protospacerů z patogenních virů. Jakmile byl fragment vložen do CRISPR, protospacer se stane znamením, které mikroorganismu umožňuje rozpoznat infekci.
CRISPR se však neomezuje pouze na toto. Biotechnologové zjistili, že tyto „kazety“mohou zaznamenávat informace pomocí předem syntetizovaných protospacerů. Jako každá DNA je protospacer složen z nukleotidů. Existují pouze čtyři nukleotidy - A, T, C a G, ale jejich různé kombinace mohou kódovat cokoli. Taková data se čtou sekvenováním - určením nukleotidových sekvencí v genomu organismu.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Vědci nejprve kódovali čtyřbarevný a 21barevný obraz lidské ruky. V prvním případě každá barva odpovídala jednomu ze čtyř nukleotidů, ve druhém skupině tří nukleotidů (triplet). Každý protospacer byl řetězec 28 nukleotidů, který obsahoval informace o sadě pixelů (pixelů). Aby se odlišily protospacery, byly označeny čtyřmi nukleotidovými čárovými kódy. Uvnitř čárového kódu kódoval nukleotid dvě číslice (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). CCCT tedy odpovídal 00000001. Toto označení umožňuje pochopit, ve které části obrazu se nachází ten či onen pixel daného pixelu.
Propagační video:
Čtyřbarevný obraz ruky sestával z 56x56 pixelů. Všechny tyto informace (784 bajtů) zapadají do 112 protospacerů. 21barevný obrázek byl menší (30x30 pixelů), takže na něj stačilo 100 protospacerů (494 bajtů).
Není však tak snadné vložit jakoukoli nukleotidovou sekvenci do bakterie a očekávat, že ji vloží do své vlastní DNA se 100% pravděpodobností. Proto kombinace nukleotidů v tripletech nebyly vybrány náhodně, ale tak, aby celkový obsah G a C v řadě byl alespoň 50 procent. To zvýšilo šance bakterií na získání spaceru.
Foto: Centrum Harryho Ransoma
Protospacery byly zavedeny do populace Escherichia coli elektroporací - vytvářením pórů v lipidové membráně bakteriálních buněk působením elektrického pole. Bakterie obsahovaly funkční CRISPR a komplex enzymů Cas1-Cas2, což umožnilo vytvořit nové spacery založené na protospacerech.
Mikroorganismy byly ponechány přes noc a další den odborníci analyzovali nukleotidové sekvence v CRISPR a odečetli hodnotu pixelu. Přesnost čtení dosáhla 88, respektive 96 procent čtyřbarevného a 21barevného ručičky. Další studie ukázaly, že téměř úplné získání distančních prvků nastalo dvě hodiny a 40 minut po elektroporaci. Ačkoli některé bakterie po proceduře zemřely, nemělo to vliv na výsledek.
Vědci poznamenali, že některé rozpěrky byly v bakteriích mnohem častější než jiné. Ukázalo se, že to bylo ovlivněno nukleotidy umístěnými na samém konci protospaceru a vytvářejícími motiv (slabě variabilní sekvence). Takový motiv, zvaný AAM (akvizice ovlivňující motiv), skončil tripletem TGA. Toto použili biologové k zakódování animace v bakteriích. Pět 21 barevných snímků běžícího koně zachytil americký fotograf Edward Muybridge. Jejich velikost je 36 x 26 pixelů.
Každý snímek byl kódován sadou 104 jedinečných protospacerů a množství informací dosáhlo 2,6 kilobajtů. Nebyly poskytnuty speciální nukleotidové značky umožňující odlišit sekvenci jednoho rámce od sekvence druhého. Místo toho byly použity různé populace bakterií. Jediný organismus tedy dosud nebyl použit jako nosič informací.
Vědci mají v úmyslu tento přístup vylepšit. Avšak dosud jsou živé bytosti daleko za obvyklými zařízeními pro ukládání informací. Tyto studie jsou primárně zaměřeny na objasnění výpočetních schopností molekul DNA, které mohou být užitečné pro vytváření počítačů DNA schopných současně řešit obrovské množství problémů. Živé organismy jsou vhodnou platformou pro vědecký výzkum, protože již obsahují enzymy a další látky nezbytné pro modifikaci nukleotidových řetězců.
Alexander Enikeev