Biologi z univerze Harvard v ZDA so prvi DNK GIF, ustvarjen v 19. stoletju, kodirali v DNA E. coli. Raziskovalci so s tehnologijo CRISPR / Cas9 v bakterijski genom vstavili nukleotide, ki se ujemajo s slikovnimi pikami, ki tvorijo sliko. Branje zaporedja DNK je omogočilo reprodukcijo videoposnetka z 90-odstotno natančnostjo. Članek znanstvenikov je bil objavljen v reviji Nature.
Edwarda Muybridgea lahko štejemo za ustvarjalca animacije GIF. Bil je prvi, ki je uporabil kamere za serijo slik. S pomočjo posebne naprave - zoopraksiskopa - je iz njih posnel kratke, zankaste videoposnetke. Eno od njegovih znanih del - posnetki z galopirajočim konjem - je prišlo prav za razrešitev spora, ali se žival med galopom vedno vsaj z eno nogo dotakne tal (izkazalo se je, da ni). Kronofotografija, ki jo je izumil Muybridge, je služila kot osnova kinematografije. Vendar si fotograf komaj predstavlja, da bodo njegove slike prišle v DNA mikrobov (in za DNK ni vedel).
Kako so raziskovalci to dosegli? Relativno nedavno odkrit sistem CRISPR / Cas9 je imel pomembno vlogo. To je ime molekularnega mehanizma, ki deluje znotraj bakterij in jim omogoča boj proti virusom. CRISPR so "kasete" znotraj DNK mikroorganizma, ki so sestavljene iz ponavljajočih se odsekov in edinstvenih zaporedij - distančnikov -, ki so fragmenti virusne DNA. To pomeni, da je CRISPR nekakšna banka podatkov z informacijami o genih patogenih povzročiteljev. Beljakovina Cas9 te informacije uporablja za pravilno identifikacijo tuje DNA in njeno neškodljivost z rezanjem na določenem mestu.
Protospacer se ujema z zaporedjem, ki je bilo nekoč virusu "ukradeno" in je postalo distančnik. Znanstveniki uporabljajo ta molekularni mehanizem. Distančnik kodira crRNA, na katero je nato pritrjen protein Cas9. Namesto crRNA lahko uporabite sintetično RNA z določenim zaporedjem - vodilno RNA (sgRNA) - in škarjam poveste, kam naj znanstveniki, ki jih režejo.
Bakterija pridobi distančnike naravno, tako da si izposodi protospacee od patogenih virusov. Ko je fragment vstavljen v CRISPR, protospacer postane znak, ki mikroorganizmu omogoča prepoznavanje okužbe.
Vendar CRISPR na to ni omejen. Biotehnologi so ugotovili, da lahko te "kasete" zapisujejo informacije s pomočjo predhodno sintetiziranih protoprostorcev. Kot vsaka DNK je tudi protoprostor sestavljen iz nukleotidov. Obstajajo le štirje nukleotidi - A, T, C in G, vendar njihove različne kombinacije lahko kodirajo karkoli. Takšne podatke beremo z zaporedjem - z določanjem nukleotidnih zaporedij v genomu organizma.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Znanstveniki so najprej kodirali štiribarvno in 21-barvno podobo človeške roke. V prvem primeru je vsaka barva ustrezala enemu od štirih nukleotidov, v drugem pa skupini treh nukleotidov (triplet). Vsak protoprostor je bil niz 28 nukleotidov, ki je vseboval informacije o nizu pik (piksel). Za razlikovanje protospacerov so bili označeni s štirimi nukleotidnimi črtnimi kodami. Znotraj črtne kode je nukleotid kodiral dvomestno številko (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). CCCT je torej ustrezal 00000001. Ta oznaka omogoča razumevanje, v katerem delu slike se nahaja določena slikovna pika dane slikovne pike.
Promocijski video:
Štiribarvna slika roke je obsegala 56x56 slikovnih pik. Vse te informacije (784 bajtov) se prilegajo 112 protoprostorjem. 21-barvna slika je bila manjša (30x30 slikovnih pik), zato ji je zadostovalo 100 protoprostorcev (494 bajtov).
Vendar v bakterijo ni tako enostavno vstaviti nobenega nukleotidnega zaporedja, saj pričakujemo, da ga bo ta v svojo lastno DNA vstavila s 100-odstotno verjetnostjo. Zato kombinacije nukleotidov v trojčkih niso bile izbrane naključno, ampak tako, da je bila celotna vsebnost G in C v vrsti vsaj 50-odstotna. To je povečalo možnosti, da bakterije dobijo distančnik.
Foto: Harry Ransom Center
Protospaceri so bili v populacijo Escherichia coli uvedeni z elektroporacijo - ustvarjanjem por v lipidni membrani bakterijskih celic pod vplivom električnega polja. Bakterije so imele funkcionalni CRISPR in encimski kompleks Cas1-Cas2, kar je omogočilo ustvarjanje novih distančnikov na osnovi protospacerov.
Mikroorganizme so pustili čez noč, naslednji dan pa so strokovnjaki analizirali nukleotidna zaporedja v CRISPR in odčitali vrednost pik. Natančnost branja je pri štiribarvnih in 21-barvnih rokah dosegla 88 oziroma 96 odstotkov. Dodatne študije so pokazale, da se je skoraj popolna pridobitev distančnikov zgodila dve uri in 40 minut po elektroporaciji. Čeprav so nekatere bakterije po postopku odmrle, to ni vplivalo na rezultat.
Znanstveniki so ugotovili, da so nekateri distančniki veliko bolj pogosti pri bakterijah kot drugi. Izkazalo se je, da so na to vplivali nukleotidi, ki se nahajajo na samem koncu protospacerja in tvorijo motiv (šibko spremenljivo zaporedje). Ta motiv, imenovan AAM (motiv, ki vpliva na pridobitev), se je končal s trojnim TGA. To so biologi uporabili za kodiranje animacije v bakterijah. Pet 21-barvnih posnetkov tekaškega konja je posnel ameriški fotograf Edward Muybridge. Njihova velikost je 36 krat 26 slikovnih pik.
Vsak okvir je bil kodiran z naborom 104 edinstvenih protoprostorcev, količina informacij pa je dosegla 2,6 kilobajta. Posebne oznake nukleotidov, ki omogočajo ločevanje zaporedja enega okvira od zaporedja drugega, niso bile zagotovljene. Namesto tega so bile uporabljene različne populacije bakterij. Tako en sam organizem še ni bil uporabljen kot nosilec informacij.
Znanstveniki nameravajo ta pristop izboljšati. Zaenkrat pa živa bitja daleč zaostajajo za običajnimi napravami za shranjevanje informacij. Tovrstne študije so namenjene predvsem razjasnitvi računskih zmožnosti molekul DNA, kar je lahko koristno za ustvarjanje računalnikov z DNA, ki lahko hkrati rešijo ogromno težav. Živi organizmi so priročna platforma za znanstvene raziskave, saj že vsebujejo encime in druge snovi, potrebne za spreminjanje nukleotidnih verig.
Aleksander Enikeev