Stworzyli nagrywarkę molekularną i wykorzystali ją do zakodowania w E. coli GIF-a

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Dotąd naukowcy skupiali się na użyciu DNA i jego właściwości do przechowywania dużej ilości danych poza komórkami. Od niedawna pracują jednak nad inną koncepcją: wykorzystania genomu populacji bakterii jako biologicznego dysku twardego, z którego naukowcy mogliby odtwarzać informacje w dowolnym momencie.

Zespół z Uniwersytetu Harvarda wspomina o urządzeniach tworzących chronologiczny zapis zdarzeń molekularnych, zachodzących w ramach rozwoju lub pod wpływem stresu czy patogenów.

W zeszłym roku ekipa George'a Churcha stworzyła pierwszą molekularną nagrywarkę, bazującą na systemie CRISPR (ang. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Pozwala ona komórce nabywać bity informacji. Dane są przechowywane w postaci macierzy sekwencji w locus CRISPR. W zamierzeniu można je odczytać i wykorzystać do odtworzenia ciągu zdarzeń.

Choć brzmi to bardzo obiecująco, nie wiedzieliśmy, co może się stać przy próbie śledzenia ok. 100 sekwencji naraz i czy to w ogóle zadziała. Ma to kluczowe znaczenie, zważywszy, że ostatecznie chcemy wykorzystać ten system do nagrywania złożonych zdarzeń biologicznych - wyjaśnia dr Seth Shipman.

Ostatnio ta sama ekipa zademonstrowała, że da się to jednak zrobić. Wyniki przełomowego eksperymentu opisano na łamach Nature. Okazało się, że dzięki systemowi wykorzystującemu CRISPR w żywych komórkach pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) można zakodować cyfrowy obraz ludzkiej dłoni i jedną z pierwszych animowanych sekwencji - galopującego konia Eadwearda Muybridge'a.

System CRISPR pomaga bakteriom rozwinąć odporność na stałe zagrożenie ze strony m.in. wirusów (bakteriofagów) ze środowiska. Jako pamięć przeżytych infekcji wychwytywane są fragmenty wirusowego DNA (tworzą one regiony niekodujące, tzw. spacery). Białko - nukleaza efektorowa - Cas9 wykorzystuje ją, gdy trzeba zniszczyć pojawiające się ponownie wirusy. Inne niż Cas9 elementy systemu CRISPR nie były dotąd specjalnie eksploatowane.

W ramach ostatniego studium za pomocą zabiegów inżynieryjnych z 2 białek systemu CRISPR - Cas1 i Cas2 - uzyskaliśmy molekularną nagrywarkę. W połączeniu z nowymi danymi nt. wymogów dot. optymalnych regionów niekodujących daje to o wiele większe możliwości w zakresie nabywania wspomnień i kodowania ich w genomie. Teraz odbywa się to na podstawie informacji dostarczanych przez badaczy z zewnątrz, a w przyszłości [jeśli wszystko dobrze pójdzie] - utrwalone zostaną naturalne doświadczenia komórek - wyjaśnia Church.

Podczas eksperymentów wykorzystano zdjęcie i GIF składający się z 5 ujęć, bo stanowią one zamknięte i dobrze zdefiniowane zestawy danych. Filmik daje bakteriom szansę na nabywanie danych klatka po klatce (dokonano tego na przestrzeni 5 dni).

Zaprojektowaliśmy strategie przekładania cyfrowej informacji zawartej w pikselu zdjęcia lub klatki, a także liczby klatek na kod DNA. Następnie kod DNA i dodatkowe sekwencje wprowadzono do spacerów. Każda klatka stała się więc zbiorem spacerów. Później dostarczaliśmy te zbiory chronologicznie do populacji E. coli, a te za pośrednictwem aktywności Cas1 i Cas2 dodawały je do macierzy CRISPR w swoich genomach. Odzyskując wszystkie macierze z populacji na drodze sekwencjonowania, byliśmy w stanie zrekonstruować zarówno komplet klatek filmu, jak i kolejność, w jakiej się pojawiają. Ekipa uzyskała 90% dokładność. Jesteśmy naprawdę zadowoleni z rezultatów - podkreśla Shipman.

Pewnego dnia będziemy być może w stanie prześledzić wszystkie decyzje rozwojowe, jakie podejmuje różnicujący się neuron: od etapu komórki macierzystej po wysoko wyspecjalizowaną komórkę mózgu. Pozwoli to lepiej zrozumieć choreografię podstawowych procesów biologicznych i rozwojowych. Daje to nadzieję na ulepszenie metod pozyskiwania komórek do terapii regeneracyjnej, modelowania chorób i testowania leków.

 

 

« powrót do artykułu