Ученые использовали CRISPR для хранения GIF внутри ДНК живой клетки

Эдверд Мейбридж был пионером раннего кино и научных наблюдений. Его культовый клип со скачущей лошадью, как известно, использовался для заключения пари о том, поднимет ли животное все четыре копыта от земли во время движения.

Спустя более 130 лет после этого прорыва Мейбридж оказался в центре другого, поскольку ученые успешно закодировали этот культовый фильм в ДНК живых клеток. Результатом стал так называемый органический GIF-файл, который является первым шагом на пути к тому, что исследователи называют «молекулярным записывающим устройством», способным существовать, наблюдать и фиксировать информацию внутри живых клеток.

«Мы хотим превратить клетки в историков», — объяснил нейробиолог Сет Шипман, генетик Гарвардской медицинской школы. «Мы представляем себе систему биологической памяти, которая будет намного меньше и более универсальной, чем сегодняшние технологии, которая будет ненавязчиво отслеживать многие события с течением времени».

Используя технологию редактирования генов CRISPR, ученые, финансируемые Национальными институтами здравоохранения (NIH), намеревались доказать, что любая произвольная последовательная информация – не только генетическая информация – может быть закодирована в геном. Впервые они сделали это с помощью единственного изображения человеческой руки и с помощью иммунной защиты бактерий.

(Вверху: слева — изображение человеческой руки, закодированное в нуклеотидах и захваченное системой адаптации CRISPR-Cas в живых бактериях. Справа — изображение после нескольких поколений роста бактерий, полученное путем секвенирования бактериальных геномов. . Кредит: Сет Шипман)

Когда бактерия подвергается атаке вируса, ее клетки вырабатывают ферменты, разрезающие и обрабатывающие генетический код вируса. Он делает это, чтобы запомнить захватчика, беря часть генетического кода вируса и добавляя ее в свой собственный геном, подобно тому, как надевает головы на пики. С течением времени геном бактерий растет, добавляется больше генетического кода вирусов, и на щуке появляется все больше голов.

Шипман и его коллеги взломали этот процесс с помощью системы CRISPR. CRISPR-Cas9 — это белок иммунной системы бактерий, который разрезает генетический код вируса, а Cas1 и Cas2 — это белки, которые вставляют вирусную ДНК в геном. Важно отметить, что эти белки добавляют ДНК в том порядке, в котором она встречается. Это означает, что ученые могут кормить E.Coli синтетическими цепями ДНК, специально разработанными последовательной информацией, которую затем можно декодировать и превратить в изображение или серию кадров. в анимации. Для получения дополнительной информации прочитайте наше полное объяснение CRISPR.

Хотя кодирование короткометражного фильма в ДНК впечатляет, ученые не планируют создавать какое-то приложение Netflix на клеточном уровне. Ролик Мейбриджа призван показать возможности системы CRISPR по превращению живых клеток в записывающие устройства, извлекающие информацию из их окружения и сохраняющие последовательную запись в их геноме. Это можно использовать во всем: от моделирования заболеваний до мониторинга уровня загрязняющих веществ в почве.

Одним из особенно интересных приложений является неврология. Шипман получил образование невролога и считает, что эта технология может сыграть важную роль в том, как исследователи разгадают тайны мозга, записывая активность и развитие мозга изнутри. В то время как кинематографические методы Мейбриджа позволяли людям видеть то, что было незаметно для человеческого глаза, так же и «молекулярные регистраторы» могли дать нам представление о том, что до сих пор было скрыто.

«Мы хотим использовать нейроны для записи молекулярной истории мозга в процессе его развития», — сказал Шипман. «Такой молекулярный регистратор позволит нам в конечном итоге собирать данные из каждой клетки мозга одновременно, без необходимости получать доступ, напрямую наблюдать за клетками или нарушать работу системы для извлечения генетического материала или белков».

Хотя GIF Мейбриджа — это первый случай, когда фильм был закодирован в ДНК живых клеток, другие ученые уже рассматривали генетическую схему как органические ZIP-файлы. В марте пара исследователей из Нью-Йоркского центра генома опубликовала отчет в журнале Наука журнал, подробно описывающий методы хранения сжатых файлов в молекулах ДНК.

С помощью алгоритма перевода файлов в двоичный код, который можно сопоставить с нуклеотидными основаниями ДНК, исследователям удалось закодировать в общей сложности шесть файлов: научную статью 1948 года, мемориальную доску пионера, операционную систему, вирус, фильм 1895 года «Прибытие поезда на вокзал Ла-Сьота»… и подарочная карта Amazon на 50 долларов.