© Seth Shipman Анимация бегущей лошади, записанная в ДНК кишечной палочки (справа)
© Seth Shipman
МОСКВА, 12 июл – РИА Новости. 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.
© Seth ShipmanФотография руки (слева), записанная и считанная с ДНК (справа)
© Seth ShipmanФотография 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. Ученым удалось записать цифровые изображения на молекулу ДНК
Чудеса в библиотеке
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. Ученые научились хранить сонеты Шекспира на молекулах ДНК
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. Ученые научились редактировать ДНК человека с точностью в одну «букву»
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:
