Biologer fra Harvard University i USA kodede verdens første GIF, oprettet i det 19. århundrede, i E. coli DNA. Forskerne brugte CRISPR / Cas9-teknologi til at indsætte nukleotider i det bakterielle genom, der matcher de pixels, der udgør billedet. Læsning af DNA-sekvensen gjorde det muligt at gengive videoen med 90 procent nøjagtighed. Artiklen om forskere blev offentliggjort i tidsskriftet Nature.
Edward Muybridge kan betragtes som skaberen af GIF-animation. Han var den første til at bruge kameraer til at få en række billeder. Ved hjælp af en speciel enhed - et zoopraxiscope - lavede han korte, loopede videoer ud af dem. Et af hans berømte værker - skud med en galopperende hest - kom godt med til at løse tvisten om dyret altid rører jorden med mindst en fod under en galop (det viste sig, at det ikke gjorde det). Kronofotografi, opfundet af Muybridge, tjente som basis for filmografi. Imidlertid forestillede fotografen sig næsten ikke, at hans billeder ville komme ind i mikrobernes DNA (og han vidste ikke om DNA).
Hvordan opnåede forskerne dette? Det relativt nyligt opdagede CRISPR / Cas9-system har spillet en vigtig rolle. Dette er navnet på den molekylære mekanisme, der fungerer inden i bakterier og giver dem mulighed for at bekæmpe vira. CRISPR'er er "kassetter" inde i DNA'et af en mikroorganisme, der består af gentagne sektioner og unikke sekvenser - afstandsstykker - der er fragmenter af viralt DNA. Det vil sige, CRISPR er en slags databank med information om generne af patogene agenser. Cas9-proteinet bruger disse oplysninger til korrekt at identificere fremmed DNA og gøre det uskadeligt ved at skære på et bestemt sted.
Protospaceren matcher den sekvens, der engang blev "stjålet" fra virussen og blev en spacer. Forskere bruger denne molekylære mekanisme. Spaceren koder for crRNA, hvortil Cas9-proteinet derefter er bundet. I stedet for crRNA kan du bruge et syntetisk RNA med en bestemt sekvens - guide RNA (sgRNA) - og fortælle saksen, hvor de skal få de afskårne forskere til.
Bakterien opnår afstandsstykker naturligt ved at låne protospacere fra patogene vira. Når fragmentet er blevet indsat i CRISPR, bliver protospaceren et tegn, der tillader mikroorganismen at genkende infektionen.
CRISPR er dog ikke begrænset til dette. Bioteknologer har fundet ud af, at disse "kassetter" kan registrere information ved hjælp af præ-syntetiserede protospacere. Som ethvert DNA er en protospacer sammensat af nukleotider. Der er kun fire nukleotider - A, T, C og G, men deres forskellige kombinationer kan kode noget. Sådanne data læses ved sekventering - bestemmelse af nukleotidsekvenser i genomets organisme.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Forskere kodede først et firefarvet og 21-farvet billede af en menneskelig hånd. I det første tilfælde svarede hver farve til en af fire nukleotider, i det andet en gruppe på tre nukleotider (triplet). Hver protospacer var en streng på 28 nukleotider, som indeholdt information om et sæt pixels (pixel). For at skelne mellem protospacere blev de mærket med fire nukleotidstregkoder. Inde i stregkoden kodede nukleotidet to cifre (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Så CCCT svarede til 00000001. Denne betegnelse gør det muligt at forstå, i hvilken del af billedet en bestemt pixel af en given pixel er placeret.
Salgsfremmende video:
Det firefarvede billede af hånden bestod af 56x56 pixels. Al denne information (784 byte) passer ind i 112 protospacere. Billedet med 21 farver var mindre (30x30 pixels), så 100 protospacere (494 bytes) var nok til det.
Det er imidlertid ikke så let at indsætte nogen nukleotidsekvens i en bakterie, idet man forventer, at den vil indsætte den i sit eget DNA med 100% sandsynlighed. Derfor blev kombinationerne af nukleotider i tripletter ikke valgt tilfældigt, men således at det samlede indhold af G og C i træk var mindst 50 procent. Dette øgede chancerne for, at bakterierne erhverver afstandsstykket.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacers blev introduceret i populationen af Escherichia coli ved elektroporation - skabelsen af porer i lipidmembranen i bakterieceller under påvirkning af et elektrisk felt. Bakterierne havde funktionelt CRISPR og Cas1-Cas2 enzymkomplekset, hvilket gjorde det muligt at skabe nye afstandsstykker baseret på protospacere.
Mikroorganismerne blev efterladt natten over, og den næste dag analyserede specialister nukleotidsekvenserne i CRISPR og læste pixelværdien. Læsningsnøjagtigheden nåede henholdsvis 88 og 96 procent for hænder med fire farver og 21 farver. Yderligere undersøgelser viste, at næsten fuldstændig erhvervelse af afstandsstykker fandt sted to timer og 40 minutter efter elektroporation. Selvom nogle bakterier døde efter proceduren, påvirkede det ikke resultatet.
Forskerne bemærkede, at nogle afstandsstykker var meget mere almindelige hos bakterier end andre. Det viste sig, at dette var påvirket af nukleotider placeret i slutningen af protospaceren og dannede et motiv (en svagt variabel sekvens). Et sådant motiv, kaldet AAM, sluttede med en TGA-triplet. Dette blev brugt af biologer til at kode animation i bakterier. Fem 21-farve skud af en løbende hest blev taget af den amerikanske fotograf Edward Muybridge. Deres størrelse er 36 x 26 pixels.
Hver ramme blev kodet med et sæt på 104 unikke protospacere, og mængden af information nåede op på 2,6 kilobyte. Specielle nukleotidmærker, der tillader at skelne sekvensen for en ramme fra sekvensen for en anden, blev ikke tilvejebragt. I stedet blev forskellige populationer af bakterier brugt. Således er en enkelt organisme endnu ikke blevet brugt som bærer af information.
Forskere har til hensigt at forbedre denne tilgang. Indtil videre er levende væsener langt bag de sædvanlige informationslagringsenheder. Sådanne undersøgelser har primært til formål at belyse DNA-molekylers beregningsmæssige kapaciteter, som kan være nyttige til oprettelse af DNA-computere, der er i stand til samtidig at løse et stort antal problemer. Levende organismer er en bekvem platform til videnskabelig forskning, da de allerede indeholder enzymer og andre stoffer, der er nødvendige for at modificere nukleotidkæder.
Alexander Enikeev