Ученые-биологи из Гарвардского университета (США) впервые сумели закодировать в ДНК кишечной палочки гифку, которая была создана еще в XIX столетии. Для этого исследователи применили технологию CRISPR/Cas9. С ее помощью ученые вставили в геном бактерии соответствующие пикселям изображения нуклеотиды. За счет прочтения последовательности ДНК удалось воспроизвести картинку с точностью почти 90 процентов.

Создателем GIF-анимации можно считать Эдварда Мейбриджа. Он был первым, кто применил фотоаппараты, чтобы получить ряд изображений. При помощи специального прибора, который называется зоопраксископом, из этих фотографий он делал короткие зацикленные ролики. Одной из его самых известных работа является ролик со скачущей лошадью. Интересно, что этот ролик помог решить спор о том, всегда ли лошадь при галопе хотя бы одной ногой касается земли (как оказалось, не всегда). Изобретенная Мейбриджем хронофотография стала основой для появления кинематографа. Впрочем, вряд ли фотограф мог даже представить себе, что его фотографии окажутся внутри ДНК микробов. Более того, наверняка, он и о ДНК ничего не знал.

Каким же образом исследователям удалось добиться такого результата? Основную роль в этом сыграла, по словам ученых, открытая относительно недавно система CRISPR/Cas9, молекулярный механизм, который действует внутри бактерий и позволяет им бороться с вирусами. CRISPR – это своего рода кассеты, которые находятся внутри ДНК микроогранизмов, и которые состоят из уникальных последовательностей (так называемые спейсеры, которые являются фрагментами вирусной ДНК) и повторяющихся участков. Проще говоря, CRISPR – это некое подобие банка данных, в котором содержится информация о генах патогенных агентов. Эту информацию использует белок Cas9 для правильной идентификации чужеродной ДНК и ее обезвреживания путем разреза в нужном месте.

Протоспейсер отвечает той последовательности, которая была получена у вируса и превратилась в спейсер. Исследователи этим молекулярным механизмом пользуются достаточно активно. После кодирования спейсером crРНК, к ней прикрепляется белок Cas9. По словам ученых, вместо crРНК возможно использование синтетической РНК, в частности, направляющей РНК (sgРНК) с определенной последовательностью. В таком случае необходимо указать белку, где необходимо сделать разрез, нужный ученым.

Спейсеры бактерия получает естественным путем, за счет заимствования протоспейсеров у патогенных вирусов. После встраивания фрагмента в CRISPR, протоспейсер превращается в определенный знак, который позволяет микроорганизму определить инфекцию.

Впрочем, использование системы не ограничивается только этим. Как было установлено биотехнологами, на CRISPR можно записывать данные с помощью предварительно синтезированных протоспейсеров. Подобно любой другой ДНК, в состав протоспейсеров входят нуклеотиды. Их в общей сложности четыре — A, T, C и G, но с помощью их комбинирования можно закодировать все что угодно. Такие данные считываются с использованием метода секвенирования – определения в геноме организма нуклеотидных последовательностей.

Ученые изначально закодировали изображение человеческой руки, состоящее из четырех и двадцати одного цвета. Каждый цвет в первом случае соответствовали одному из нуклеотидов. В другом случае – каждый цвет соответствовал группе, состоящей из трех нуклеотидов (триплет). Каждый протоспейсер являлся строкой, состоящей из 28 нуклеотидов, содержащей данные о наборе пикселей. Для того, чтобы протоспейсеры различать между собой, их отметили штрих-кодами, состоящими из 4 нуклеотидов. Нуклеотид внутри штрих-кода кодировал две цифры. За счет подобного обозначения ученые могли понять, в какой части изображения расположен тот или иной пиксель.

Изображение человеческой руки, состоящее из четырех цветов, состояло из 56х56 пикселей. Таким образом, вся информация (а это 784 байта) поместилась на 112 протоспейсерах. Изображение с 21 цветом по размеру было значительно меньше (всего 30х30 пикселей), поэтому уместилось на 100 протоспейсерах (494 байта информации).

Впрочем, как заявляют ученые, нельзя ввести в бактерию любую последовательность просто так, и ожидать, что она самостоятельно выстроит свою ДНК с вероятностью 100 процентов. Именно по этой причине в триплетах комбинации нуклеотидов были выбраны не случайно, а таким образом, чтобы в одной строке содержание С и G было не менее 50 процентов. За счет этого шансы приобретения бактерией спейсера увеличивались.

Протоспейсеры в популяцию кишечной палочки были внедрены при помощи электропорации – создания под влиянием электрического поля в липидной мембране клеток бактерий пор. Бактерии имели функциональные CRISPR и ферментный комплекс Cas1-Cas2, который давал возможность на основе протоспейсеров создавать новые спейсеры.

Бактерии оставляли на ночь, после чего, на следующий день, ученые проводили анализ нуклеотидных последовательностей в CRISPR и подсчитывали значение пикселей. Для четырехцветного изображения точной прочтения составляла 88, а для 21-цветного – 96 процентов. После проведения дополнительных исследований было установлено, что бактерии приобретали почти полный набор спейсеров примерно через 2 часа и 40 минут после проведения электропорации. Несмотря на то, что часть бактерий после процедуры погибала, на общий результат это не повлияло.

Как отмечают ученые, в бактериях некоторые спейсеры встречались гораздо чаще других. Как было установлено, влияли на это нуклеотиды, которые находились в самом конце протоспейсерв и образовывали слабо изменчивую последовательность (так называемый мотив). Этот мотив, названный ААМ, заканливался триплетом TGA. Это и использовали ученые, чтобы в бактериях закодировать анимацию. Всего удалось создать 5 кадров с бегущей лошадью, состоящие из 21 цвета. Размер этих кадров – 36х26 пикселей.

Каждый кадр кодировался набором, состоящим из 104 уникальных протоспейсеров. Общий объем данных составил 2,6 килобайта. Специальные нуклеотидные метки, которые помогали бы отличать последовательность одного кадра от другого, предусмотрены не были. Вместо этого были использованы разные популяции бактерий. Один организм, таким образом, как носитель информации, еще не был использован.

По словам исследователей, в будущем они намерены этот подход усовершенствовать. Впрочем, в настоящее время все живые организмы значительно уступают традиционным информационным накопителям. Исследования подобного рода в первую очередь направлены на то, чтобы определить вычислительные возможности молекул ДНК. Это может оказаться полезным при создании ДНК-компьютеров, которые будут способны решать огромное количество задач одновременно. Таким образом, живые организмы являются удобной платформой для научных исследований, потому как содержат в себе ферменты и прочие вещества, которые нужны для модификаций нуклеотидных последовательностей.

No related links found


Комментарии:

Leave a reply