Εικόνες και ταινίες εγγράφονται στο DNA βακτηρίων;

Το αριστερό πλαίσιο είναι μία ταινιούλα που δείχνει το άλογο “Sallie Gardner at a Gallop (1878)” να καλπάζει. Η ταινιούλα αυτή κωδικοποιείται σε  νουκλεοτίδια  και με το σύστημα Crispr-Cas9 αποθηκεύεται στο DNA ζωντανών βακτηρίων, Το δεξιό πλαίσιο είναι η ταινιούλα που ανακτάται με τη διαδικασία εύρεσης της αλληλουχίας απο το DNA βακτηρίου απόγονου του αρχικού.
Υπο Seth Shipman 

Το Crispr-Cas9 είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση πληροφοριών στο γονιδίωμα ζωντανών Escherichia coli.

Τα τελευταία χρόνια, δεδομένα διαφορετικά μεταξύ τους  όπως τα σονέτα του Σαίξπηρ, ή ο λόγος του Martin Luther King Jr «Έχω ένα όνειρο», ή μια δωροκάρτα 50$ της Amazon έχουν όλα αποθηκευτεί σε DNA. Τώρα, επιστήμονες στις ΗΠΑ στο Harvard University στο Cambridge, Massachusetts έχουν προχωρήσει την ιδέα ένα βήμα παραπέρα, εισάγοντας εικόνες, ή ακόμα και μικρές ταινίες στα γονιδιώματα  ζωντανών βακτηρίων.
Τα αποτελέσματα τους εμφανίζονται στο περιοδικό Nature .



«Είμαστε ο πρωτοπόροι σε  αυτό το σύστημα - αυτό που λέμε “μοριακή εγγραφή”. Προς το παρόν χρησιμοποιώντας εικόνες και ταινίες, αλλά ελπίζουμε ότι τελικά θα χρησιμοποιηθεί για να καταγράψει πληροφορίες που δεν γνωρίζουμε ακόμα, όπως και το τι συμβαίνει στο εσωτερικό ενός κυττάρου», λέει ο Seth Shipman του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ, ο οποίος αποτελεί μέρος της ομάδας του George M. Church που έδειξε για πρώτη φορά το 2012 ότι το DNA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση πληροφοριών.

CRISPR: Σύμπλοκο πρωτείνης(μπλέ) και μονόκλωνου DNA(πορτοκαλί) σε e.coli
By Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com) - Own work,
CC BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=53431455

Εξηγεί ότι το DNA είναι ένα καλό μέσο αποθήκευσης, και είναι απίστευτα σταθερό με την πάροδο του χρόνου, «έτσι για την αρχειοθέτηση δεδομένων που δεν σκοπεύετε να ανακτάτε πολύ συχνά, το DNA μπορεί να είναι μια καλή επιλογή». Ωστόσο, προσθέτει ότι η χρήση ζωντανών βακτηρίων παρουσιάζει μια νέα σειρά προκλήσεων. «Όχι μόνο θα πρέπει να συνθέσουμε το DNA που περιέχει την πληροφορία, αλλά θα πρέπει επίσης να το εγχύσουμε στα κύτταρα και να τα κάνουμε να ενσωματώσουν τις νέες αλληλουχίες βάσεων στα γονιδιώματα τους».

Για να ολοκληρώσει το έργο της μετατροπής του DNA σε μέσο αποθήκευσης δεδομένων η ομάδα στράφηκε προς το σύστημα Crispr-Cas9, που αποτελεί μέρος του βακτηριακού ανοσοποιητικού συστήματος. Δίνει στα βακτήρια τη δυνατότητα να παίρνουν και να αποθηκεύουν γενετικό υλικό από ιούς εισβολείς σε μια συγκεκριμένη περιοχή του γονιδιώματος τους. Στο πρώτο των πειραμάτων τους για την απόδειξη της ιδέας, κωδικοποίησαν  στο γονιδίωμα του Escherichia coli τα pixels (εικονοστοιχεία) μιας ασπρόμαυρης φωτογραφία ενός χεριού.

Ο τριαδικός κώδικας των κωδικονίων. Κάθε πιθανή τριάδα
αζωτούχων βάσεων αντιστοιχεί σε ένα αμινοξύ. Με βάση
αυτή την ιδέα κάθε τριάδα αντιστοιχεί σε ένα χρώμα.

Η ομάδα δοκίμασε διάφορες στρατηγικές για να κωδικοποιήσει τα δεδομένα. «Η μία ήταν άκαμπτη, κωδικοποιησαν τέσσερα χρώματα με την κάθε αζωτούχο βάση του DNA να αντιστοιχεί σε ένα χρώμα. Ο κώδικας αυτός δεν λειτούργησε τόσο καλά, διότι κατέληξε να δημιουργήσει αλληλουχίες βάσεων που δεν ήταν και πολύ συμβατές με τη βιολογία του συστήματος», λέει ο Shipman. «Καταλήξαμε να χρησιμοποιούμε έναν πιο ευέλικτο κώδικα, παρόμοιο με τον τριαδικό κώδικα των κωδικονίων που χρησιμοποιούν οι οργανισμοί για να αποθηκεύουν τις πληροφορίες για τις πρωτεΐνες τους. Σε αυτόν τον κώδικα, είχαμε 21 χρώματα και το καθένα μπορούσε να κωδικοποιηθεί από μια τριάδα διαφορετικά νουκλεοτίδια. Με αυτόν τον τρόπο μπορούσαμε να δημιουργήσουμε ευέλικτα το DNA, αποφεύγοντας προβληματικές ακολουθίες.»

Το άλογο που καλπάζει.

Η ομάδα επίσης κωδικοποίησε σε βακτήρια E. coli, πέντε στιγμιότυπα “ενός αλόγου που καλπάζει” από τη συλλογή φωτογραφιών του  Eadweard Muybridge’s “Human and animal locomotion”. Τα στιγμιότυπα εισήχθησαν ένα προς ένα στη σειρά, έτσι ώστε να είναι κωδικοποιημένα με τη σωστή σειρά και να μπορούν να ανακτηθούν για να δημιουργηθεί η ταινία.

Οι πληροφορίες μπορούν αργότερα να ανακτηθούν αρκετά απλά, καθώς όλες οι αλληλουχίες είναι αποθηκευμένες σε μία μόνο περιοχή του γονιδίωματος του E. coli . «Έτσι πολλαπλασιάζουμε αυτή τη περιοχή από πολλά κύτταρα και να αναζητούμε τις ακολουθίες που δεν υπήρχαν πριν» λέει ο Shipman. Τα πίξελ μπορούν να διαβαστούν με ακρίβεια περίπου 90%.

«Το επόμενο βήμα μας είναι να συνδέσουμε αυτό το σύστημα με τη βιολογία του κυττάρου, έτσι ώστε ίσως καταγράψουμε κάποια διαδικασία που δεν έχουμε ακόμη καταλάβει, και όχι απλά και μόνο πληροφορίες που ήδη γνωρίζουμε», λέει ο Shipman.

Το ρηξικέλευθο της μεθόδου είναι ότι όχι μόνο αποθηκεύουν πολυσύνθετες στατικές πληροφορίες, αλλά η αποθήκευση της βιντεοταινίας δείχνει τη δυνατότητα αποθήκευσης με χρονική αλληλουχία. Έτσι θα είναι χρήσιμη για να παρακολουθήσουμε τις αλλαγές που έγιναν με πέρασμα του χρόνου σε ένα κύτταρο και στο περιβάλλον του.


Πηγές:
Νature: CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Υπο: Seth L. Shipman, Jeff Nivala, Jeffrey D. Macklis & George M. Church
RSC ChemistryWorld/News: Living bacteria write pictures and movies to DNA Υπο: Emma Stoye, 12 July 2017
BBC news: Gif and image written into the DNA of bacteria. Υπο: Paul Rincon Science editor, BBC News website
Wikipedia, the free encyclopedia: CRISPR