Az egyesült államokbeli Harvard Egyetem biológusai E. coli DNS-be kódolták a világ első, a 19. században létrehozott GIF-jét. A kutatók CRISPR / Cas9 technológiával olyan nukleotidokat illesztettek be a baktériumok genomjába, amelyek megegyeznek a képet alkotó képpontokkal. A DNS-szekvencia elolvasása lehetővé tette a videó 90 százalékos pontossággal történő reprodukálását. A tudósok cikkét a Nature folyóiratban tették közzé.
Edward Muybridge tekinthető a
Hogyan érték el ezt a kutatók? A viszonylag nemrégiben felfedezett CRISPR / Cas9 rendszer fontos szerepet játszott. Ez a neve a molekuláris mechanizmusnak, amely a baktériumok belsejében működik és lehetővé teszi számukra a vírusok elleni küzdelmet. A CRISPR-ek egy mikroorganizmus DNS-en belüli „kazetták”, amelyek ismétlődő szakaszokból és egyedi szekvenciákból - távtartókból - állnak, amelyek a vírus DNS-fragmensei. Vagyis a CRISPR egyfajta adatbank, amely információkat tartalmaz a kórokozók génjeiről. A Cas9 fehérje ezt az információt felhasználja az idegen DNS helyes azonosításához és ártalmatlanná tételéhez egy adott helyen történő vágással.
A prototérköz megfelel annak a szekvenciának, amelyet egyszer "elloptak" a vírusból, és távtartóvá vált. A tudósok ezt a molekuláris mechanizmust használják. A távtartó a crRNS-t kódolja, amelyhez a Cas9 fehérje kapcsolódik. A crRNS helyett használhat egy meghatározott szekvenciájú szintetikus RNS-t - a vezető RNS-t (sgRNS) -, és megmondhatja az ollónak, hová szeretné kivágni a tudósokat.
A baktérium a távtartókat természetesen úgy szerzi meg, hogy a kórokozó vírusokból kölcsönözi a protospacereket. Miután a fragmenst beillesztették a CRISPR-be, a protospacer olyan jellé válik, amely lehetővé teszi a mikroorganizmus számára a fertőzés felismerését.
A CRISPR azonban nem korlátozódik erre. A biotechnológusok azt találták, hogy ezek a "kazetták" előre szintetizált protospacerek segítségével tudnak információt rögzíteni. Mint minden DNS, a protospacer nukleotidokból áll. Csak négy nukleotid létezik - A, T, C és G, de különböző kombinációik bármit kódolhatnak. Az ilyen adatokat szekvenálással olvassuk le - meghatározzuk a nukleotidszekvenciákat egy organizmus genomjában.
E. coli Fotó: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
A tudósok először egy négy és egy 21 színű emberi kéz képét kódolták. Az első esetben mindegyik szín megfelelt a négy nukleotid egyikének, a másodikban három nukleotid csoportjának (triplett). Mindegyik protospacer 28 nukleotidból álló húr volt, amely információkat tartalmazott egy pixelkészletről (pixel). A protospacerek megkülönböztetéséhez négy nukleotid vonalkódot jelöltek. A vonalkódon belül a nukleotid két számjegyet kódolt (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Tehát a CCCT megfelelt a 00000001-nek. Ez a megnevezés lehetővé teszi annak megértését, hogy a kép melyik részén található az adott pixel vagy annak pixelje.
Promóciós videó:
A kéz négyszínű képe 56x56 képpontból állt. Mindezek az információk (784 bájt) 112 protospacerbe illeszkednek. A 21 színű kép kisebb volt (30x30 pixel), így 100 protospacer (494 bájt) elég volt hozzá.
Azonban nem olyan könnyű bármilyen nukleotidszekvenciát beilleszteni egy baktériumba, abban a reményben, hogy az 100% -os valószínűséggel beilleszti a saját DNS-ébe. Ezért a triplettekben található nukleotidok kombinációit nem véletlenszerűen választottuk meg, hanem úgy, hogy a G és C össztartalma egy sorban legalább 50 százalék legyen. Ez növelte annak esélyét, hogy a baktériumok megszerezzék a távtartót.
Fotó: Harry Ransom Központ
A protospacereket elektroporációval vezették be az Escherichia coli populációba - pórusok keletkeztek a baktériumsejtek lipidmembránjában elektromos mező hatására. A baktériumok funkcionális CRISPR-rel és Cas1-Cas2 enzim komplextel rendelkeztek, amelyek lehetővé tették új távtartók létrehozását protospacerek alapján.
A mikroorganizmusokat egy éjszakán át hagyták, és másnap a szakemberek elemezték a CRISPR nukleotidszekvenciáit, és leolvasták a pixel értéket. Az olvasási pontosság elérte a 88, illetve a 96 százalékot a négy- és a 21-színű kéz esetében. További vizsgálatok azt mutatták, hogy a távtartók majdnem teljes megszerzése két órával és 40 perccel az elektroporáció után történt. Bár néhány baktérium elhunyt az eljárás után, ez nem befolyásolta az eredményt.
A tudósok megjegyezték, hogy egyes távtartók sokkal gyakoribbak voltak a baktériumokban, mint mások. Kiderült, hogy ezt befolyásolták a protospacer legvégén elhelyezkedő és egy motívumot képező nukleotidok (gyengén változó szekvencia). Ez a motívum, az úgynevezett AAM (megszerzés befolyásoló motívum) egy triplett TGA-val zárult. Ezt használták fel a biológusok a baktériumokba történő animáció kódolására. Öt 21 színes felvételt készített egy futó lóról Edward Muybridge amerikai fotós. Méretük 36x26 pixel.
Mindegyik keretet 104 egyedi protospacer készlettel kódolták, és az információ mennyisége elérte a 2,6 kilobájtot. Speciális nukleotidjelzőket, amelyek lehetővé teszik az egyik képkocka szekvenciájának megkülönböztetését a másik szekvenciájától, nem nyújtottak be. Ehelyett különböző baktérium populációkat használtak. Így egyetlen szervezetet még nem használtak információhordozóként.
A tudósok tovább kívánják fejleszteni ezt a megközelítést. Az eddigi élőlények azonban messze elmaradnak a szokásos információtároló eszközöktől. Az ilyen vizsgálatok elsősorban a DNS-molekulák számítási képességeinek tisztázására irányulnak, amelyek hasznosak lehetnek olyan DNS-számítógépek létrehozásához, amelyek képesek egyszerre megoldani számos problémát. Az élő szervezetek kényelmes platformot jelentenek a tudományos kutatás számára, mivel már tartalmaznak enzimeket és egyéb anyagokat, amelyek a nukleotidláncok módosításához szükségesek.
Alekszandr Enikeev