JAV Harvardo universiteto biologai E. coli DNR užkodavo pirmąjį pasaulyje GIF, sukurtą XIX amžiuje. Tyrėjai panaudojo CRISPR / Cas9 technologiją į bakterijų genomą įterpdami nukleotidus, kurie sutampa su vaizdą sudarančiais pikseliais. Perskaičius DNR seką, vaizdo įrašą buvo įmanoma atkurti 90 procentų tikslumu. Mokslininkų straipsnis buvo paskelbtas žurnale „Nature“.
Edwardą Muybridge'ą galima laikyti
Kaip mokslininkai to pasiekė? Santykinai neseniai atrasta CRISPR / Cas9 sistema suvaidino svarbų vaidmenį. Tai yra molekulinio mechanizmo, veikiančio bakterijų viduje ir leidžiantis jiems kovoti su virusais, pavadinimas. CRISPR yra mikroorganizmo DNR viduje esančios „kasetės“, sudarytos iš pasikartojančių sekcijų ir unikalių sekų - tarpiklių - viruso DNR fragmentų. Tai yra, CRISPR yra tam tikras duomenų bankas, kuriame yra informacijos apie patogeninių veiksnių genus. Cas9 baltymas naudoja šią informaciją, kad teisingai nustatytų svetimą DNR ir padarytų ją nekenksmingą pjaustant tam tikroje vietoje.
Protospaceris atitinka seką, kuri kažkada buvo „pavogta“nuo viruso ir tapo tarpine. Mokslininkai naudoja šį molekulinį mechanizmą. Tarpiklis koduoja crRNR, prie kurios tada prijungiamas Cas9 baltymas. Vietoj crRNR galite naudoti sintetinę RNR su tam tikra seka - vedančia RNR (sgRNR) - ir pasakyti žirklėms, kur priversti iškirptus mokslininkus.
Bakterija natūraliai gauna tarpiklius, skolindamasi protogenus iš patogeninių virusų. Įterpus fragmentą į CRISPR, protospaceris tampa ženklu, leidžiančiu mikroorganizmui atpažinti infekciją.
Tačiau CRISPR tuo neapsiriboja. Biotechnologai nustatė, kad šios „kasetės“gali įrašyti informaciją naudodamos iš anksto susintetintus protospacerius. Kaip ir bet kuri DNR, prototipas sudarytas iš nukleotidų. Yra tik keturi nukleotidai - A, T, C ir G, tačiau įvairūs jų deriniai gali koduoti bet ką. Tokie duomenys skaitomi sekvenuojant - nustatant nukleotidų sekas organizmo genome.
E. coli nuotrauka: Manfredas Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Mokslininkai pirmiausia užkodavo keturių ir 21 spalvų žmogaus rankos atvaizdą. Pirmuoju atveju kiekviena spalva atitiko vieną iš keturių nukleotidų, antruoju - trijų nukleotidų grupę (tripletą). Kiekvienas protospaceris buvo 28 nukleotidų eilutė, kurioje buvo informacija apie pikselių rinkinį (pikselius). Norėdami atskirti erdvėlaivius, jie buvo pažymėti keturiais nukleotidų brūkšniniais kodais. Brūkšninio kodo viduje nukleotidas užkodavo du skaitmenis (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Taigi, CCCT atitiko 00000001. Šis žymėjimas leidžia suprasti, kurioje vaizdo dalyje yra tas ar tas duoto pikselio pikselis.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Keturių spalvų rankos vaizdas susidėjo iš 56x56 taškų. Visa ši informacija (784 baitai) telpa į 112 prototipų. 21 spalvos vaizdas buvo mažesnis (30x30 pikselių), todėl jam pakako 100 protospacerių (494 baitai).
Tačiau nėra taip lengva bet kokią nukleotidų seką įterpti į bakteriją, tikintis, kad ji 100% tikimybe įterps ją į savo DNR. Todėl nukleotidų deriniai tripletuose nebuvo pasirinkti atsitiktinai, bet taip, kad bendras G ir C kiekis iš eilės būtų mažiausiai 50 procentų. Tai padidino tikimybę, kad bakterijos įsigis tarpiklį.
Nuotrauka: Harry Ransom centras
Į Escherichia coli populiaciją protoporos buvo įvestos elektroporacijos būdu - sukuriant poras bakterijų ląstelių lipidinėje membranoje veikiant elektriniam laukui. Bakterijos turėjo funkcinį CRISPR ir Cas1-Cas2 fermentų kompleksą, kurie leido sukurti naujus tarpiklius remiantis protospaceriais.
Mikroorganizmai buvo palikti per naktį, o kitą dieną specialistai analizavo CRISPR nukleotidų sekas ir perskaitė pikselių vertę. Skaitymo tikslumas keturių ir 21 spalvų rankose siekė atitinkamai 88 ir 96 procentus. Papildomi tyrimai parodė, kad beveik visas tarpiklius įsigijo praėjus dviem valandoms ir 40 minučių po elektroporacijos. Nors po procedūros kai kurios bakterijos žuvo, tai neturėjo įtakos rezultatui.
Mokslininkai pažymėjo, kad kai kurie tarpikliai bakterijose buvo daug dažniau nei kiti. Paaiškėjo, kad tam įtakos turėjo nukleotidai, esantys pačiame prototipo gale ir formuojantys motyvą (silpnai kintanti seka). Toks motyvas, vadinamas AAM (įgijimas, turintis įtakos motyvui), baigėsi TGA tripletu. Tai naudojo biologai, kad užkoduotų animaciją bakterijose. Penkis 21 spalvos bėgimo žirgo kadrus užfiksavo amerikiečių fotografas Edwardas Muybridge'as. Jų dydis yra 36 x 26 taškų.
Kiekvienas kadras buvo užkoduotas 104 unikalių protospacerių rinkiniu, o informacijos kiekis pasiekė 2,6 kilobaitus. Specialios nukleotidų etiketės, leidžiančios atskirti vieno kadro seką nuo kito, nebuvo pateiktos. Vietoj to buvo naudojamos skirtingos bakterijų populiacijos. Taigi vienas organizmas dar nebuvo naudojamas kaip informacijos nešėjas.
Mokslininkai ketina patobulinti šį požiūrį. Tačiau kol kas gyvos būtybės gerokai atsilieka nuo įprastų informacijos saugojimo įrenginių. Tokiais tyrimais pirmiausia siekiama išsiaiškinti DNR molekulių skaičiavimo galimybes, kurios gali būti naudingos kuriant DNR kompiuterius, galinčius vienu metu išspręsti daugybę problemų. Gyvi organizmai yra patogi platforma moksliniams tyrimams, nes juose jau yra fermentų ir kitų medžiagų, reikalingų nukleotidų grandinėms modifikuoti.
Aleksandras Enikejevas