ASV Hārvardas universitātes biologi E. coli DNS iekodēja pasaulē pirmo GIF, kas izveidots 19. gadsimtā. Pētnieki izmantoja CRISPR / Cas9 tehnoloģiju, lai baktēriju genomā ievietotu nukleotīdus, kas atbilst pikseļiem, kas veido attēlu. Izlasot DNS secību, videoklipu varēja reproducēt ar 90 procentu precizitāti. Zinātnieku raksts tika publicēts žurnālā Nature.
Edvardu Muibridžu var uzskatīt par
Kā pētnieki to panāca? Liela loma ir bijusi salīdzinoši nesen atklātajai CRISPR / Cas9 sistēmai. Tas ir molekulārā mehānisma nosaukums, kas darbojas baktēriju iekšienē un ļauj tām cīnīties ar vīrusiem. CRISPR ir “kasetes” mikroorganisma DNS iekšpusē, kas sastāv no atkārtotām sekcijām un unikālām sekvencēm - starplikām -, kas ir vīrusa DNS fragmenti. Tas ir, CRISPR ir sava veida datu banka ar informāciju par patogēnu ierosinātāju gēniem. Cas9 olbaltumviela izmanto šo informāciju, lai pareizi identificētu svešu DNS un padarītu to nekaitīgu, griežot noteiktā vietā.
Atstarotājs atbilst secībai, kas savulaik tika "nozagta" no vīrusa un kļuva par starpliku. Zinātnieki izmanto šo molekulāro mehānismu. Starplika kodē crRNS, pie kuras pēc tam tiek piesaistīts Cas9 proteīns. CrRNS vietā jūs varat izmantot sintētisku RNS ar noteiktu secību - vadošo RNS (sgRNA) - un pateikt šķērēm, kur likt zinātniekiem sagriezt.
Baktērija dabiski iegūst starplikas, aizņemoties protospacerus no patogēniem vīrusiem. Kad fragments ir ievietots CRISPR, prototips kļūst par zīmi, kas ļauj mikroorganismam atpazīt infekciju.
Tomēr CRISPR ar to neaprobežojas. Biotehnologi ir atklājuši, ka šīs "kasetes" var ierakstīt informāciju, izmantojot iepriekš sintezētus prototipus. Tāpat kā jebkura DNS, arī atstarpes sastāv no nukleotīdiem. Ir tikai četri nukleotīdi - A, T, C un G, taču to dažādās kombinācijas var kodēt jebko. Šādi dati tiek nolasīti sekvencējot - nosakot nukleotīdu sekvences organisma genomā.
E. coli Foto: Manfrēds Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Zinātnieki vispirms iekodēja četru un 21 krāsu cilvēka rokas attēlu. Pirmajā gadījumā katra krāsa atbilda vienam no četriem nukleotīdiem, otrajā - trīs nukleotīdu grupai (triplets). Katrs prototips bija 28 nukleotīdu virkne, kurā bija informācija par pikseļu kopu (pikseļiem). Lai atšķirtu protospacerus, tie tika marķēti ar četriem nukleotīdu svītrkodiem. Svītru koda iekšpusē nukleotīds kodēja divus ciparus (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Tātad, CCCT atbilda uz 00000001. Šis apzīmējums ļauj saprast, kurā attēla daļā atrodas konkrētais attiecīgā pikseļa pikselis.
Reklāmas video:
Rokas četru krāsu attēls sastāvēja no 56x56 pikseļiem. Visa šī informācija (784 baiti) iekļaujas 112 protosferos. 21 krāsu attēls bija mazāks (30x30 pikseļi), tāpēc tam pietika ar 100 protospacers (494 baiti).
Tomēr nav tik viegli ievietot baktērijā jebkuru nukleotīdu secību, sagaidot, ka tā ar 100% varbūtību to ievietos savā DNS. Tāpēc nukleotīdu kombinācijas trijniekos netika izvēlētas nejauši, bet tā, lai kopējais G un C saturs pēc kārtas būtu vismaz 50 procenti. Tas palielināja baktēriju iespējas iegūt starpliku.
Foto: Harija Ransoma centrs
Protektorus Escherichia coli populācijā ieveda ar elektroporāciju - poru izveidi baktēriju šūnu lipīdu membrānā elektriskā lauka ietekmē. Baktērijām bija funkcionāls CRISPR un Cas1-Cas2 enzīmu komplekss, kas ļāva izveidot jaunus starplikas, kuru pamatā ir protospacers.
Mikroorganismi tika atstāti uz nakti, un nākamajā dienā speciālisti analizēja CRISPR nukleotīdu secības un nolasīja pikseļu vērtību. Lasīšanas precizitāte četrkrāsu un 21 krāsu rokās sasniedza attiecīgi 88 un 96 procentus. Papildu pētījumi parādīja, ka gandrīz pilnīga starpliku iegāde notika divas stundas un 40 minūtes pēc elektroporācijas. Kaut arī pēc procedūras dažas baktērijas nomira, tas neietekmēja rezultātu.
Zinātnieki atzīmēja, ka daži starplikas baktērijās bija daudz biežāk nekā citi. Izrādījās, ka to ietekmēja nukleotīdi, kas atradās pašā atstarpes galā un veidoja motīvu (vāji mainīga secība). Šāds motīvs, saukts par AAM (iegūšana, kas ietekmē motīvu), beidzās ar TGA tripletu. Biologi to izmantoja, lai iekodētu animāciju baktērijās. Piecus 21 krāsu kadrus no skrienoša zirga uzņēma amerikāņu fotogrāfs Edvards Muibridžs. To izmērs ir 36 x 26 pikseļi.
Katrs kadrs tika kodēts ar 104 unikālu protosferu komplektu, un informācijas apjoms sasniedza 2,6 kilobaitus. Īpašas nukleotīdu birkas, kas ļauj atšķirt viena kadra secību no otra, netika nodrošinātas. Tā vietā tika izmantotas dažādas baktēriju populācijas. Tādējādi viens organisms vēl nav izmantots kā informācijas nesējs.
Zinātnieki plāno uzlabot šo pieeju. Tomēr līdz šim dzīvās būtnes daudz atpaliek no parastajām informācijas glabāšanas ierīcēm. Šādu pētījumu mērķis galvenokārt ir noskaidrot DNS molekulu skaitļošanas iespējas, kas var būt noderīgas, lai izveidotu DNS datorus, kas vienlaikus spēj atrisināt ļoti daudz problēmu. Dzīvie organismi ir ērta platforma zinātniskiem pētījumiem, jo tie jau satur fermentus un citas vielas, kas nepieciešamas nukleotīdu ķēžu modificēšanai.
Aleksandrs Enikejevs