Biológovia z Harvardovej univerzity v USA zakódovali do DNA E. coli prvý
Edward Muybridge možno považovať za tvorcu animácie GIF. Ako prvý použil na získanie série snímok kamery. Pomocou špeciálneho prístroja - zoopraxiskopu - z nich vytvoril krátke slučkové videá. Jedno z jeho slávnych diel - výstrely s cválajúcim koňom - sa hodilo na vyriešenie sporu, či sa zviera počas cvalu vždy dotklo najmenej jednou nohou zeme (ukázalo sa, že nie). Chronofotografia, ktorú vynašiel Muybridge, slúžila ako základ pre kinematografiu. Fotograf však ťažko očakával, že sa jeho fotografie dostanú do DNA mikróbov (a on o DNA nevedel).
Ako to vedci dosiahli? Dôležitú úlohu zohral relatívne nedávno objavený systém CRISPR / Cas9. Toto je názov molekulárneho mechanizmu, ktorý funguje vo vnútri baktérií a umožňuje im bojovať proti vírusom. CRISPR sú „kazety“vo vnútri DNA mikroorganizmu, ktoré sú tvorené opakujúcimi sa sekciami a jedinečnými sekvenciami - medzerníkmi - ktoré sú fragmentmi vírusovej DNA. To znamená, že CRISPR je akousi databankou s informáciami o génoch patogénnych látok. Proteín Cas9 používa tieto informácie na správnu identifikáciu cudzej DNA a jej zneškodnenie rezaním na konkrétnom mieste.
Protospacer sa zhoduje so sekvenciou, ktorá bola kedysi „ukradnutá“vírusu a stala sa spacerom. Vedci využívajú tento molekulárny mechanizmus. Medzikus kóduje crRNA, ku ktorej je potom pripojený proteín Cas9. Namiesto crRNA môžete použiť syntetickú RNA so špecifickou sekvenciou - sprievodnou RNA (sgRNA) - a nožniciam povedzte, kam majú vedci požadovať strih.
Baktéria prirodzene získava spacery vypožičiavaním protospacerov z patogénnych vírusov. Po vložení fragmentu do CRISPR sa protospacer stane znakom, ktorý umožňuje mikroorganizmu rozpoznať infekciu.
CRISPR sa však neobmedzuje iba na toto. Biotechnológovia zistili, že tieto „kazety“dokážu zaznamenávať informácie pomocou vopred syntetizovaných protospacerov. Ako každá DNA, aj protospacer je zložený z nukleotidov. Existujú iba štyri nukleotidy - A, T, C a G, ale ich rôzne kombinácie môžu kódovať čokoľvek. Takéto údaje sa čítajú sekvenovaním - stanovením nukleotidových sekvencií v genóme organizmu.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Vedci najskôr kódovali štvorfarebný a 21-farebný obraz ľudskej ruky. V prvom prípade zodpovedala každá farba jednému zo štyroch nukleotidov, v druhom skupine troch nukleotidov (triplet). Každý protospacer tvoril reťazec 28 nukleotidov, ktorý obsahoval informácie o množine pixelov (pixelov). Na rozlíšenie protospacerov boli označené štyrmi nukleotidovými čiarovými kódmi. Vo vnútri čiarového kódu nukleotid kódoval dve číslice (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). CCCT teda zodpovedal 00000001. Toto označenie umožňuje pochopiť, v ktorej časti obrazu sa tento alebo ten pixel daného pixelu nachádza.
Propagačné video:
Štvorfarebný obrázok ruky pozostával z 56x56 pixelov. Všetky tieto informácie (784 bajtov) sa zmestili do 112 protospacerov. 21-farebný obrázok bol menší (30x30 pixelov), takže mu stačilo 100 protospacerov (494 bajtov).
Nie je však také ľahké vložiť akúkoľvek nukleotidovú sekvenciu do baktérie s očakávaním, že ju vloží do svojej vlastnej DNA so 100% pravdepodobnosťou. Kombinácie nukleotidov v tripletoch preto neboli vybrané náhodne, ale tak, aby celkový obsah G a C v rade bol najmenej 50 percent. To zvýšilo šance baktérií na získanie spaceru.
Foto: Centrum Harryho Ransoma
Protospacéry sa do populácie Escherichia coli zaviedli elektroporáciou - tvorbou pórov v lipidovej membráne bakteriálnych buniek pôsobením elektrického poľa. Baktérie obsahovali funkčný CRISPR a enzýmový komplex Cas1-Cas2, čo umožnilo vytvoriť nové spacery založené na protospaceroch.
Mikroorganizmy sa nechali cez noc a nasledujúci deň špecialisti analyzovali nukleotidové sekvencie v CRISPR a načítali hodnotu pixelov. Presnosť čítania dosiahla 88, respektíve 96 percent pre štvorfarebné a 21 farebné ručičky. Ďalšie štúdie ukázali, že takmer úplné získanie medzikusov nastalo dve hodiny a 40 minút po elektroporácii. Aj keď niektoré baktérie po zákroku zomreli, nemalo to vplyv na výsledok.
Vedci poznamenali, že niektoré rozpery boli v baktériách oveľa bežnejšie ako iné. Ukázalo sa, že to bolo ovplyvnené nukleotidmi umiestnenými na samom konci protospaceru a tvoriacimi motív (slabo variabilná sekvencia). Takýto motív, nazývaný AAM (akvizícia ovplyvňujúca motív), skončil tripletom TGA. To použili biológovia na kódovanie animácie v baktériách. Päť 21-farebných záberov bežiaceho koňa zachytil americký fotograf Edward Muybridge. Ich veľkosť je 36 x 26 pixelov.
Každý rámec bol kódovaný sadou 104 jedinečných protospacerov a množstvo informácií dosiahlo 2,6 kilobajtov. Špeciálne nukleotidové značky umožňujúce rozlíšiť sekvenciu jedného rámca od sekvencie druhého neboli poskytnuté. Namiesto toho sa použili rôzne populácie baktérií. Jediný organizmus teda ešte nebol použitý ako nosič informácií.
Vedci majú v úmysle tento prístup vylepšiť. Avšak zatiaľ sú živé bytosti ďaleko za zvyčajnými zariadeniami na ukladanie informácií. Takéto štúdie sú primárne zamerané na objasnenie výpočtových schopností molekúl DNA, ktoré môžu byť užitočné pri vytváraní počítačov DNA schopných súčasne riešiť obrovské množstvo problémov. Živé organizmy sú vhodnou platformou pre vedecký výskum, pretože už obsahujú enzýmy a ďalšie látky potrebné na modifikáciu nukleotidových reťazcov.
Alexander Enikeev