Biologii de la Universitatea Harvard din Statele Unite au codificat primul
Edward Muybridge poate fi considerat creatorul animației GIF. El a fost primul care a folosit camere pentru a obține o serie de imagini. Cu ajutorul unui dispozitiv special - un zoopraxiscop - a realizat din ele videoclipuri scurte. Una dintre celebrele sale lucrări - împușcături cu un cal galopant - a fost utilă pentru a rezolva disputa dacă animalul atinge întotdeauna solul cu cel puțin un picior în timpul galopului (s-a dovedit că nu). Cronofotografia, inventată de Muybridge, a servit ca bază a cinematografiei. Cu toate acestea, fotograful nu și-a imaginat că imaginile sale vor intra în ADN-ul microbilor (și nu știa despre ADN).
Cum au realizat cercetătorii acest lucru? Sistemul CRISPR / Cas9 relativ recent descoperit a jucat un rol important. Acesta este numele mecanismului molecular care funcționează în interiorul bacteriilor și le permite să lupte împotriva virușilor. CRISPR sunt „casete” din interiorul ADN-ului unui microorganism, care sunt alcătuite din secțiuni repetate și secvențe unice - distanțieri - care sunt fragmente de ADN viral. Adică, CRISPR este un fel de bancă de date cu informații despre genele agenților patogeni. Proteina Cas9 folosește aceste informații pentru a identifica corect ADN-ul străin și a-l face inofensiv prin tăierea într-o anumită locație.
Protospacerul se potrivește cu secvența care a fost odată „furată” de la virus și a devenit un distanțier. Oamenii de știință folosesc acest mecanism molecular. Distanțierul codifică ARNc, de care este atașată apoi proteina Cas9. În loc de ARNc, puteți utiliza un ARN sintetic cu o secvență specifică - ARN-ghid (ARNg) - și spuneți foarfecelor unde să-i facă pe oamenii de știință să-și dorească.
Bacteria obține distanțieri în mod natural prin împrumutarea protospazierilor de la viruși patogeni. Odată ce fragmentul a fost introdus în CRISPR, protospacerul devine un semn care permite microorganismului să recunoască infecția.
Cu toate acestea, CRISPR nu se limitează la aceasta. Biotehnologii au descoperit că aceste „casete” pot înregistra informații folosind protospazere pre-sintetizate. Ca orice ADN, un protospacer este compus din nucleotide. Există doar patru nucleotide - A, T, C și G, dar diversele lor combinații pot codifica orice. Astfel de date sunt citite prin secvențierea - prin determinarea secvențelor de nucleotide din genomul organismului.
Foto de E. coli: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Oamenii de știință au codificat mai întâi o imagine cu patru culori și 21 de culori a unei mâini umane. În primul caz, fiecare culoare corespundea unuia dintre cele patru nucleotide, în al doilea, unui grup de trei nucleotide (triplet). Fiecare protospacer era un șir de 28 de nucleotide, care conținea informații despre un set de pixeli (pixel). Pentru a distinge protospazierii, au fost etichetați cu patru coduri de bare nucleotidice. În interiorul codului de bare, nucleotida a codificat două cifre (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Deci, CCCT corespundea cu 00000001. Această denumire face posibilă înțelegerea în ce parte a imaginii este situat acest pixel sau pixelul unui pixel dat.
Video promotional:
Imaginea cu patru culori a mâinii consta în 56x56 pixeli. Toate aceste informații (784 octeți) se încadrează în 112 protospazieri. Imaginea cu 21 de culori a fost mai mică (30x30 pixeli), astfel încât 100 de protospazieri (494 octeți) au fost suficiente pentru aceasta.
Cu toate acestea, nu este atât de ușor să introduceți orice secvență de nucleotide într-o bacterie, sperând că o va introduce în propriul ADN cu probabilitate de 100%. Prin urmare, combinațiile de nucleotide în triplete nu au fost alese la întâmplare, ci astfel încât conținutul total de G și C la rând să fie de cel puțin 50%. Acest lucru a crescut șansele ca bacteriile să dobândească distanțierul.
Foto: Harry Ransom Center
Protospazierii au fost introduși în populația de Escherichia coli prin electroporare - crearea de pori în membrana lipidică a celulelor bacteriene sub acțiunea unui câmp electric. Bacteriile posedau CRISPR funcțional și complexul enzimatic Cas1-Cas2, ceea ce a făcut posibilă crearea de noi distanțieri bazate pe protospazieri.
Microorganismele au fost lăsate peste noapte, iar a doua zi, specialiștii au analizat secvențele de nucleotide din CRISPR și au citit valoarea pixelilor. Precizia de citire a atins 88 și 96 la sută pentru mâinile cu patru culori și respectiv cu 21 de culori. Studii suplimentare au arătat că achiziția aproape completă a distanțierilor a avut loc la două ore și 40 de minute după electroporare. Deși unele bacterii au murit după procedură, acest lucru nu a afectat rezultatul.
Oamenii de știință au observat că unele distanțieri erau mult mai frecvente la bacterii decât altele. S-a dovedit că acest lucru a fost influențat de nucleotide situate chiar la capătul protospacerului și care formează un motiv (o secvență slab variabilă). Acest motiv, numit AAM (motiv care afectează achiziția), sa încheiat cu un triplet TGA. Aceasta a fost folosită de biologi pentru a codifica animația în bacterii. Cinci fotografii cu 21 de culori ale unui cal alergat au fost surprinse de fotograful american Edward Muybridge. Dimensiunea lor este de 36 x 26 pixeli.
Fiecare cadru a fost codificat cu un set de 104 protospazieri unici, iar cantitatea de informații a ajuns la 2,6 kilobyți. Nu au fost furnizate etichete speciale de nucleotide care permit distingerea secvenței unui cadru de secvența altuia. În schimb, au fost utilizate diferite populații de bacterii. Astfel, un singur organism nu a fost încă folosit ca purtător de informații.
Oamenii de știință intenționează să îmbunătățească această abordare. Cu toate acestea, până acum ființele vii sunt cu mult în spatele dispozitivelor obișnuite de stocare a informațiilor. Astfel de studii vizează în primul rând elucidarea capacităților de calcul ale moleculelor de ADN, care pot fi utile pentru crearea computerelor ADN capabile să rezolve simultan un număr imens de probleme. Organismele vii sunt o platformă convenabilă pentru cercetarea științifică, deoarece conțin deja enzime și alte substanțe necesare pentru modificarea lanțurilor nucleotidice.
Alexandru Enikeev
