В ДНК бактерии закодировали видео скачущей лошади

CRISPR-Cas. Фото: Hiroshi Nishimasu, F. Ann Ran, Patrick D. et al / commons.wikimedia.org
CRISPR-Cas. Фото: Hiroshi Nishimasu, F. Ann Ran, Patrick D. et al / commons.wikimedia.org

Американские ученые записали gif-изображение в виде генетического кода, встроили его в геном бактерии и снова считали с генома почти без потери качества.

В последние десятилетия активно обсуждается роль ДНК как носителя данных. Причем речь не только о генетической информации, которую она содержит изначально, но и о другой информации, которую теоретически можно было бы в ней записывать. В связи с интенсивным развитием технологий встает проблема больших данных (big data) и места для их хранения. И здесь ДНК оказалась подходящим кандидатом, так как записанная в ней информация занимает небольшой объем и легко и быстро самовоспроизводится. Иными словами, в научном сообществе витает идея сделать из клеток живые USB-флешки.

Ученые из Бостона и Кэмбриджа решили отработать эту технологию на бактериях Escherichia coli — всем известной кишечной палочке. Чтобы встроить новую информацию в геном бактерий, они использовали широко применяемую сейчас систему CRISPR-Cas. Преимущество этого метода состоит в том, что он позволяет эффективно и точно встроить новые фрагменты ДНК в существующую цепочку.

Для начала исследователи экспериментировали со статичным изображением руки. Они разбили фотографию на пиксели и построили две модели. В первом варианте пиксели были четырех цветов и каждому цвету соответствовал один нуклеотид ДНК (которых всего четыре типа). В другом варианте пиксели разделили на 21 цвет и закодировали их трехнуклеотидными комбинациями (такие же трехнуклеотидные комбинации кодируют аминокислоты, которых в клетке около 20). Первый вариант кода получился простым и строгим, второй — избыточным.

Изображение руки: оригинальное (слева) и считанное с генома (справа). Фото: Seth Shipman

Дальше ученые записали фотографию руки в виде последовательности нуклеотидов, синтезировали эту последовательность в пробирке, интегрировали ее в геном бактерий, затем размножили бактерии и на следующий день попробовали прочитать информацию из генома второго поколения. У них получилось восстановить картинку, причем оказалось, что более сложный вариант кода обеспечивает более четкое воспроизведение.

Авторы исследования не просто проверяли технологию на новом материале, но и работали над ее усовершенствованием. Они определили несколько признаков, которые влияют на то, насколько хорошо последовательность ДНК интегрируется в геном (длина, состав, наличие повторов и т.д.). Использование избыточного кода помогло им поэкспериментировать с этими признаками и добиться того, что интеграция прошла успешно.

Gif-изображение скачущей лошади: оригинальное (слева) и считанное с генома бактерии (справа)

Чтобы опробовать эффективность своей методики на большем объеме информации, авторы взяли gif-изображение скачущей лошади, составленное из серии снимков одного из пионеров фотографии — Эдварда Мейбриджа. Пять последовательных кадров заняли объем около 2,6 Кб, который также успешно удалось записать в геном кишечной палочки и извлечь обратно. При сравнении исходного и финального изображений видно, что точность передачи информации оказалась высокой, ученые оценили ее выше 90%.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Что еще можно сделать с помощью CRISPR-Cas, читайте на «Чердаке».

Теги:

Читать еще на Чердаке: