Ученые превратили ДНК бактерий

Ученые превратили ДНК бактерий
Биологи из Гарварда превратили ДНК обычной кишечной палочки в «перезаписываемый» цифровой носитель информации и записали на нее один из первых видеороликов в истории человечества, снятый в 1878 году, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature. 
«Мы показали, что два белка системы CRISPR, Cas1 и Cas2, которые мы модифицировали специально для этой цели, можно использовать для получения информации из внешней среды, ее каталогизации и записи в геном. Пока эту информацию микробам поставляют ученые, а в будущем бактерии смогут записывать свои собственные «впечатления» в эту молекулярную память», — заявил Джордж Черч (George Church), генетик из Гарвардского университета (США).
Память предков
Молекулы ДНК представляют собой надежное устройство по хранению информации, хорошо защищенное от ошибок чтения и записи. Ученые пытаются приспособить их для хранения произвольных данных с 1988 года, когда американским биоинформатикам впервые удалось записать 7,9 килобайт информации на молекулу ДНК и прочитать ее.
К примеру пять лет назад биологи из Гарварда впервые «распечатали» книгу на молекулах ДНК и прочитали ее при помощи обычного секвенатора генома, а год назад ученые из университета Вашингтона научились записывать изображения в нити генетического кода и считывать их, достигнув рекордно высокой плотности записи информации.
Биоинженеры распечатали книгу на молекулах ДНК и успешно прочитали ее
Все эти подходы, как рассказывает Черч, обладают одним общим недостатком — в них применяются «голые» молекулы ДНК, сохраняющие стабильность и «читабельность» только внутри пробирок и лабораторий. Кроме того, все они фактически являются «одноразовыми» – их можно записать и прочитать лишь один раз, что не позволяет использовать подобные системы «генетической памяти» как полноценную замену современным жестким дискам, «флешкам» и другим цифровым носителям информации.
Ученые превратили ДНК бактерийФотография руки (слева), записанная и считанная с ДНК (справа)
По этой причине команда Черча избрала принципиально иной подход к созданию системы записи и чтения генетической информации, фактически воспользовавшись уже почти готовой ее версией, которую природа создавала на протяжении последних четырехсот миллионов лет.
Речь идет о своеобразном бактериальном «антивирусе», системе CRISPR/Cas, помогающей микробам опознавать ДНК вирусов в своем геноме, удалять их или уничтожать себя при обнаружении инфекции.
Ее ключевой частью является своеобразная «библиотека» обрывков вирусного кода, которые записываются в особую часть ДНК микроба при помощи белков Cas1 и Cas2, и потом используются для опознания патогенов. Эти белки и «библиотеку», как предположил Черч, можно перепрофилировать и на работу с цифровой информацией.
Решение этой задачи упрощается тем, что бактерии хранят обрывки вирусной ДНК в виде 33-«буквенных» последовательностей, разделенных особыми повторами, что существенно упрощает запись и декодирование информации. В добавок к этому, каждая «буква» ДНК может кодировать сразу четыре значения или даже 21 значение, если считывать их тройками, что повышает плотность записи информации.
Руководствуясь этими идеями, Черч и его команда создали специальную программу, которая конвертирует изображения или кадры видеороликов в наборы «букв»-нуклеотидов и собирает короткие последовательности ДНК, которые система CRISPR/Cas может интегрировать в геном микроба, автоматически записывая их при этом в правильном порядке.
Работу этой программы биологи проверили на черно-белой фотографии руки размерами в 56 на 56 пикселей и на коротком видеоролике со скачущей лошадью с разрешением в 36 на 26 пикселей, который был снят в 1878 году Эдвардом Мэйбриджем, пионером фото- и видеосъемки.
Записав их в ДНК-«память» обычной кишечной палочки, биологи позволили микробам «отдохнуть» и попытались считать информацию, расшифровав геномы нескольких отдельных клеток. И фотография, и видеоролик были восстановлены с более чем 90% точностью, что подтвердило, что хранить информацию в библиотеке CRISPR/Cas действительно можно.
Сейчас Черч и его коллеги работают над оптимизацией методик записи информации и думают над созданием систем «автоматической» записи в эту память тех событий, которые происходят внутри микроба или любой другой клетки. Это, как заключают биологи, заметно ускорило изучение того, как стволовые клетки зародыша превращаются в разные ткани мозга или в любые другие сложные органы.

Источник: http://earth-chronicles.ru/news/2017-07-13-106300