Ameerika Ühendriikide Harvardi ülikooli bioloogid kodeerisid E. coli DNA-s maailma esimese 19. sajandil loodud GIF-i. Teadlased kasutasid CRISPR / Cas9 tehnoloogiat, et sisestada bakteri genoomi nukleotiidid, mis vastavad pildi moodustavatele pikslitele. DNA järjestuse lugemine võimaldas video taasesitada 90 protsendi täpsusega. Teadlaste artikkel ilmus ajakirjas Nature.
GIF-animatsiooni loojaks võib pidada Edward Muybridge'i. Ta kasutas esimesena kaameraid pildiseeria saamiseks. Spetsiaalse seadme - zoopraksiskoopi - abil tegi ta neist lühikesi, silmustega videoid. Üks tema kuulsatest teostest - kaadrid galopeeriva hobusega - tuli kasuks vaidluse lahendamiseks, kas loom puudutab galopi ajal alati vähemalt ühe jalaga maad (selgus, et mitte). Kinograafia aluseks oli Muybridge'i leiutatud kronofotograafia. Vaevalt kujutas fotograaf ette, et tema pildid satuvad mikroobide DNA-sse (ja ta ei teadnud DNA-st).
Kuidas teadlased selle saavutasid? Olulist rolli on mänginud suhteliselt hiljuti avastatud süsteem CRISPR / Cas9. See on molekulaarse mehhanismi nimi, mis toimib bakterite sees ja võimaldab neil viirustega võidelda. CRISPR on mikroorganismi DNA sees olevad “kassetid”, mis koosnevad korduvatest sektsioonidest ja ainulaadsetest järjestustest - speisseritest -, mis on viiruse DNA fragmendid. See tähendab, et CRISPR on omamoodi andmebaas, mis sisaldab teavet patogeenide geenide kohta. Cas9 valk kasutab seda teavet, et õigesti tuvastada võõras DNA ja muuta see kahjutuks, lõigates kindlas kohas.
Protospacer sobib järjestusega, mis kunagi viiruse eest "varastati" ja sellest sai spacer. Teadlased kasutavad seda molekulaarset mehhanismi. Vahe kodeerib crRNA-d, millele kinnitatakse Cas9 valk. CrRNA asemel võite kasutada kindla järjestusega sünteetilist RNA-d - suunavat RNA-d (sgRNA) - ja öelda kääridele, kuhu panna lõigatud teadlased soovima.
Bakter saab speissereid loomulikult, laenates patogeensetest viirustest protospacereid. Kui fragment on CRISPR-i sisestatud, saab protospacerist märk, mis võimaldab mikroorganismil infektsiooni ära tunda.
CRISPR ei piirdu sellega. Biotehnoloogid on leidnud, et need "kassetid" suudavad teavet eelnevalt sünteesitud protospacerite abil salvestada. Nagu iga DNA, koosneb ka protospacer nukleotiididest. Nukleotiide on ainult neli - A, T, C ja G, kuid nende erinevad kombinatsioonid võivad kodeerida kõike. Selliseid andmeid loetakse sekveneerimise teel - nukleotiidjärjestuste määramine organismi genoomis.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Esmalt kodeerisid teadlased inimese käe nelja- ja 21-värvilist pilti. Esimesel juhul vastas iga värv ühele neljast nukleotiidist, teisel aga kolme nukleotiidi rühmast (triplett). Iga protospacer oli 28 nukleotiidist koosnev string, mis sisaldas teavet pikslite hulga (piksli) kohta. Protospacerite eristamiseks märgistati need nelja nukleotiidi vöötkoodiga. Vöötkoodi sees kodeeris nukleotiid kahte numbrit (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Niisiis vastas CCCT numbrile 00000001. See tähis võimaldab mõista, millises pildi osas asub antud või selle piksli piksel.
Reklaamvideo:
Käe neljavärviline pilt koosnes 56x56 pikslist. Kogu see teave (784 baiti) mahub 112 protospacerisse. 21-värviline pilt oli väiksem (30x30 pikslit), nii et selle jaoks piisas 100 protospacerist (494 baiti).
Ühegi nukleotiidjärjestuse lisamine bakterisse pole aga nii lihtne, lootes, et see sisestab selle 100% tõenäosusega oma DNA-sse. Seetõttu ei valitud triplettide nukleotiidide kombinatsioone juhuslikult, vaid nii, et G ja C kogusisaldus järjest oleks vähemalt 50 protsenti. See suurendas bakterite võimalusi vahetükki omandada.
Foto: Harry Ransom Center
Escherichia coli populatsiooni toodi protospacers elektroporatsiooni teel - pooride tekitamine bakterirakkude lipiidmembraanis elektrivälja toimel. Bakteritel oli funktsionaalne CRISPR ja Cas1-Cas2 ensüümikompleks, mis võimaldas luua uusi tühimikke protospacerite baasil.
Mikroorganismid jäeti ööseks ja järgmisel päeval analüüsisid spetsialistid CRISPR-is nukleotiidjärjestusi ja lugesid piksli väärtust. Lugemistäpsus ulatus nelja- ja 21-värvi käte puhul vastavalt 88 ja 96 protsendini. Täiendavad uuringud näitasid, et vahetükkide peaaegu täielik omandamine toimus kaks tundi ja 40 minutit pärast elektroporatsiooni. Kuigi mõned bakterid surid pärast protseduuri, ei mõjutanud see tulemust.
Teadlased märkisid, et mõned vahetükid olid bakterites palju tavalisemad kui teised. Selgus, et seda mõjutasid nukleotiidid, mis paiknesid protospaceri lõpus ja moodustasid motiivi (nõrgalt varieeruv järjestus). Selline motiiv nimega AAM (omandamist mõjutav motiiv) lõppes TGA tripletiga. Bioloogid kasutasid seda bakterites animatsiooni kodeerimiseks. Viis 21-värvilist kaadrit jooksvast hobusest jäädvustas Ameerika fotograaf Edward Muybridge. Nende suurus on 36 x 26 pikslit.
Igat kaadrit kodeeriti 104 unikaalse protospaceri komplektiga ja teabe hulk ulatus 2,6 kilobaiti. Spetsiaalseid nukleotiidimärgiseid, mis võimaldaksid eristada ühe kaadri järjestust teise järjestusest, ei esitatud. Selle asemel kasutati erinevaid bakteripopulatsioone. Seega pole informatsiooni kandjana veel ühte organismi kasutatud.
Teadlased kavatsevad seda lähenemist täiustada. Kuid seni on elusolendid tavalistest infosalvestusseadmetest kaugel. Sellised uuringud on suunatud peamiselt DNA molekulide arvutusvõimete väljaselgitamisele, mis võib olla kasulik DNA-arvutite loomiseks, mis suudavad samaaegselt lahendada tohutult palju probleeme. Elusorganismid on teaduslike uuringute jaoks mugav platvorm, kuna need sisaldavad juba ensüüme ja muid nukleotiidahelate modifitseerimiseks vajalikke aineid.
Aleksander Enikeev
