Biologen der Harvard University in den USA codierten das weltweit erste GIF, das im 19. Jahrhundert erstellt wurde, in E. coli-DNA. Die Forscher verwendeten die CRISPR / Cas9-Technologie, um Nukleotide in das Bakteriengenom einzufügen, die mit den Pixeln übereinstimmen, aus denen das Bild besteht. Durch Lesen der DNA-Sequenz konnte das Video mit einer Genauigkeit von 90 Prozent reproduziert werden. Der Artikel von Wissenschaftlern wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Edward Muybridge kann als Schöpfer der GIF-Animation angesehen werden. Er war der erste, der Kameras verwendete, um eine Reihe von Bildern zu erhalten. Mit Hilfe eines speziellen Geräts - eines Zoopraxiskops - machte er daraus kurze Videos. Eines seiner berühmten Werke - Schüsse mit einem galoppierenden Pferd - war nützlich, um den Streit zu lösen, ob das Tier während eines Galopps immer mit mindestens einem Fuß den Boden berührt (es stellte sich heraus, dass dies nicht der Fall war). Die von Muybridge erfundene Chronofotografie diente als Grundlage für die Kinematografie. Der Fotograf stellte sich jedoch kaum vor, dass seine Bilder in die DNA von Mikroben gelangen würden (und er wusste nichts über DNA).
Wie haben die Forscher das erreicht? Das relativ kürzlich entdeckte CRISPR / Cas9-System hat eine wichtige Rolle gespielt. Dies ist der Name des molekularen Mechanismus, der in Bakterien wirkt und es ihnen ermöglicht, Viren zu bekämpfen. CRISPRs sind „Kassetten“in der DNA eines Mikroorganismus, die aus sich wiederholenden Abschnitten und einzigartigen Sequenzen - Spacern - bestehen, die Fragmente viraler DNA sind. Das heißt, CRISPR ist eine Art Datenbank mit Informationen über die Gene von Krankheitserregern. Das Cas9-Protein verwendet diese Informationen, um fremde DNA korrekt zu identifizieren und sie durch Schneiden an einer bestimmten Stelle unschädlich zu machen.
Der Protospacer entspricht der Sequenz, die einst dem Virus "gestohlen" wurde und zu einem Spacer wurde. Wissenschaftler nutzen diesen molekularen Mechanismus. Der Spacer codiert crRNA, an die dann das Cas9-Protein gebunden ist. Anstelle von crRNA können Sie eine synthetische RNA mit einer bestimmten Sequenz verwenden - Leit-RNA (sgRNA) - und der Schere mitteilen, wohin die Schnittwissenschaftler wollen.
Das Bakterium erhält Spacer auf natürliche Weise, indem es Protospacer von pathogenen Viren ausleiht. Sobald das Fragment in CRISPR eingefügt wurde, wird der Protospacer zu einem Zeichen, das es dem Mikroorganismus ermöglicht, die Infektion zu erkennen.
CRISPR ist jedoch nicht darauf beschränkt. Biotechnologen haben herausgefunden, dass diese "Kassetten" Informationen mit vorsynthetisierten Protospacern aufzeichnen können. Wie jede DNA besteht ein Protospacer aus Nukleotiden. Es gibt nur vier Nukleotide - A, T, C und G, aber ihre verschiedenen Kombinationen können alles codieren. Solche Daten werden durch Sequenzierung gelesen - durch Bestimmung der Nukleotidsequenzen im Genom des Organismus.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Die Wissenschaftler codierten zunächst ein Vier- und ein 21-Farben-Bild einer menschlichen Hand. Im ersten Fall entsprach jede Farbe einem von vier Nukleotiden, im zweiten einer Gruppe von drei Nukleotiden (Triplett). Jeder Protospacer war eine Folge von 28 Nukleotiden, die Informationen über einen Satz von Pixeln (Pixel) enthielten. Zur Unterscheidung von Protospacern wurden sie mit vier Nukleotid-Barcodes markiert. Innerhalb des Barcodes codierte das Nukleotid zwei Ziffern (C-00, T-01, A-10, G-11). CCCT entsprach also 00000001. Diese Bezeichnung ermöglicht es zu verstehen, in welchem Teil des Bildes sich dieses oder jenes Pixel eines bestimmten Pixels befindet.
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Das vierfarbige Bild der Hand bestand aus 56 x 56 Pixel. Alle diese Informationen (784 Bytes) passen in 112 Protospacer. Das 21-Farben-Bild war kleiner (30 x 30 Pixel), sodass 100 Protospacer (494 Byte) ausreichten.
Es ist jedoch nicht so einfach, eine Nukleotidsequenz in ein Bakterium einzufügen, in der Hoffnung, dass es mit 100% iger Wahrscheinlichkeit in seine eigene DNA eingefügt wird. Daher wurden die Kombinationen von Nukleotiden in Tripletts nicht zufällig ausgewählt, sondern so, dass der Gesamtgehalt an G und C in einer Reihe mindestens 50 Prozent betrug. Dies erhöhte die Wahrscheinlichkeit, dass die Bakterien den Spacer erwerben.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacer wurden durch Elektroporation in die Population von Escherichia coli eingeführt - die Bildung von Poren in der Lipidmembran von Bakterienzellen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes. Die Bakterien besaßen funktionelles CRISPR und den Cas1-Cas2-Enzymkomplex, wodurch neue Spacer auf Basis von Protospacern hergestellt werden konnten.
Die Mikroorganismen wurden über Nacht stehen gelassen, und am nächsten Tag analysierten Spezialisten die Nukleotidsequenzen in CRISPR und lasen den Pixelwert ab. Die Lesegenauigkeit erreichte 88 bzw. 96 Prozent für die vierfarbigen und 21farbigen Zeiger. Zusätzliche Studien zeigten, dass zwei Stunden und 40 Minuten nach der Elektroporation eine fast vollständige Erfassung der Spacer erfolgte. Obwohl einige Bakterien nach dem Eingriff starben, hatte dies keinen Einfluss auf das Ergebnis.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass einige Spacer in Bakterien viel häufiger vorkommen als andere. Es stellte sich heraus, dass dies durch Nukleotide am Ende des Protospacers beeinflusst wurde, die ein Motiv bildeten (schwach variable Sequenz). Ein solches Motiv, AAM (Acquisition Affective Motive) genannt, endete mit einem TGA-Triplett. Dies wurde von Biologen verwendet, um Animationen in Bakterien zu codieren. Fünf 21-Farben-Aufnahmen eines laufenden Pferdes wurden vom amerikanischen Fotografen Edward Muybridge aufgenommen. Ihre Größe beträgt 36 x 26 Pixel.
Jeder Frame wurde mit einem Satz von 104 einzigartigen Protospacern codiert, und die Informationsmenge erreichte 2,6 Kilobyte. Spezielle Nukleotid-Tags, die es ermöglichen, die Sequenz eines Rahmens von der Sequenz eines anderen zu unterscheiden, wurden nicht bereitgestellt. Stattdessen wurden verschiedene Populationen von Bakterien verwendet. Daher wurde ein einzelner Organismus noch nicht als Informationsträger verwendet.
Wissenschaftler beabsichtigen, diesen Ansatz zu verbessern. Bisher sind Lebewesen jedoch weit hinter den üblichen Informationsspeichern zurück. Solche Studien zielen in erster Linie darauf ab, die Rechenfähigkeiten von DNA-Molekülen aufzuklären, die zur Erstellung von DNA-Computern nützlich sein können, die gleichzeitig eine Vielzahl von Problemen lösen können. Lebende Organismen sind eine bequeme Plattform für die wissenschaftliche Forschung, da sie bereits Enzyme und andere Substanzen enthalten, die für die Modifikation von Nukleotidketten notwendig sind.
Alexander Enikeev
