Biolozi sa Sveučilišta Harvard u Sjedinjenim Državama kodirali su prvi
Edwarda Muybridgea možemo smatrati tvorcem
Kako su istraživači to postigli? Relativno nedavno otkriveni sustav CRISPR / Cas9 odigrao je važnu ulogu. Ovo je naziv molekularnog mehanizma koji djeluje unutar bakterija i omogućava im borbu protiv virusa. CRISPR su "kasete" unutar DNA mikroorganizma, koje se sastoje od ponavljajućih dijelova i jedinstvenih sljedova - odstojnika - koji su fragmenti virusne DNA. Odnosno, CRISPR je svojevrsna banka podataka s informacijama o genima patogenih sredstava. Protein Cas9 koristi ove podatke za ispravno prepoznavanje strane DNA i njezino stvaranje bezopasnim rezanjem na određenom mjestu.
Protospacer se podudara sa slijedom koji je nekad bio "ukraden" od virusa i postao razmaknicom. Znanstvenici koriste ovaj molekularni mehanizam. Razmaknica kodira crRNA, na koju je zatim povezan Cas9 protein. Umjesto crRNA, možete upotrijebiti sintetičku RNA s određenim slijedom - voditi RNA (sgRNA) - i škarama reći gdje znanstvenike natjerati.
Bakterija prirodno dolazi do odstojnika posuđujući protospacere od patogenih virusa. Nakon što je fragment umetnut u CRISPR, protospacer postaje znak koji omogućuje mikroorganizmu da prepozna infekciju.
Međutim, CRISPR nije ograničen na to. Biotehnolozi su otkrili da te "kasete" mogu snimati informacije pomoću unaprijed sintetiziranih protospacea. Kao i svaka DNA, protospacer se sastoji od nukleotida. Postoje samo četiri nukleotida - A, T, C i G, ali njihove razne kombinacije mogu kodirati sve. Takvi se podaci čitaju sekvenciranjem - određivanjem nukleotidnih sekvenci u genomu organizma.
E. coli Fotografija: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Znanstvenici su prvo kodirali četverobojnu i 21-bojanu sliku ljudske ruke. U prvom je slučaju svaka boja odgovarala jednom od četiri nukleotida, u drugom grupi od tri nukleotida (triplet). Svaki protospacer bio je niz od 28 nukleotida, koji je sadržavao informacije o skupu piksela (piksela). Kako bi se razlikovali protospaceri, označeni su s četiri nukleotidna barkodova. Unutar crtičnog koda nukleotid je kodirao dvije znamenke (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Dakle, CCCT je odgovarao 00000001. Ova oznaka omogućuje razumijevanje u kojem se dijelu slike nalazi ovaj ili onaj piksel određenog piksela.
Promotivni video:
Slika ruke u četiri boje sastojala se od 56x56 piksela. Sve ove informacije (784 bajta) uklapaju se u 112 protoprostora. Slika od 21 boje bila je manja (30x30 piksela), pa joj je bilo dovoljno 100 razmaknica (494 bajta).
Međutim, nije tako lako ubaciti bilo koji nukleotidni slijed u bakteriju, očekujući da će ga ona ubaciti u vlastitu DNK sa 100% vjerojatnosti. Stoga kombinacije nukleotida u trojcima nisu odabrane slučajno, već tako da je ukupan sadržaj G i C u nizu bio najmanje 50 posto. To je povećalo šanse da bakterija stekne odstojnik.
Foto: Harry Ransom Center
Protospaceri su u populaciju Escherichia coli uvedeni elektroporacijom - stvaranjem pora u lipidnoj membrani bakterijskih stanica pod djelovanjem električnog polja. Bakterije su posjedovale funkcionalni CRISPR i enzimski kompleks Cas1-Cas2, što je omogućilo stvaranje novih odstojnika na bazi protospacera.
Mikroorganizmi su ostavljeni preko noći, a sutradan su stručnjaci analizirali nukleotidne sekvence u CRISPR-u i očitali vrijednost piksela. Točnost čitanja dosegla je 88, odnosno 96 posto za kazaljke u četiri boje i u 21 boji. Dodatne studije pokazale su da se gotovo potpuno dobivanje odstojnika dogodilo dva sata i 40 minuta nakon elektroporacije. Iako su neke bakterije nakon postupka uginule, to nije utjecalo na rezultat.
Znanstvenici su primijetili da su neki odstojnici mnogo češći kod bakterija od drugih. Pokazalo se da su na to utjecali nukleotidi smješteni na samom kraju protospacera i tvoreći motiv (slabo varijabilni slijed). Takav motiv, nazvan AAM (motiv koji utječe na akviziciju), završio je TGA trojkom. To su biolozi koristili za kodiranje animacije u bakterijama. Pet snimaka konja koji trči u 21 boji snimio je američki fotograf Edward Muybridge. Njihova je veličina 36 x 26 piksela.
Svaki je okvir kodiran skupom od 104 jedinstvena protoprostora, a količina informacija dosegla je 2,6 kilobajta. Nisu osigurane posebne nukleotidne oznake koje omogućuju razlikovanje slijeda jednog okvira od slijeda drugog. Umjesto toga, korištene su različite populacije bakterija. Dakle, jedan organizam još nije korišten kao nosač informacija.
Znanstvenici namjeravaju poboljšati ovaj pristup. Međutim, dosad živa bića daleko zaostaju za uobičajenim uređajima za pohranu informacija. Takve su studije prvenstveno usmjerene na rasvjetljavanje proračunskih mogućnosti molekula DNA, što može biti korisno za stvaranje DNA računala sposobnih za istodobno rješavanje velikog broja problema. Živi organizmi prikladna su platforma za znanstvena istraživanja, jer već sadrže enzime i druge tvari potrebne za modifikaciju nukleotidnih lanaca.
Aleksandar Enikeev
