Yhdysvaltain Harvardin yliopiston biologit koodaivat maailman ensimmäisen GIF: n, joka luotiin 1800-luvulla, E. coli DNA: han. Tutkijat käyttivät CRISPR / Cas9-tekniikkaa nukleotidien lisäämiseen bakteerigenomiin, jotka sopivat kuvan muodostaviin pikseleihin. DNA-sekvenssin lukeminen mahdollisti videon toistamisen 90 prosentin tarkkuudella. Tutkijoiden artikkeli julkaistiin Nature-lehdessä.
Edward Muybridgeä voidaan pitää GIF-animaation luojana. Hän käytti kameroita ensimmäisenä kuvasarjan saamiseksi. Erikoislaitteen - zoopraksiskoopin - avulla hän teki niistä lyhyitä, silmukoituja videoita. Yksi hänen kuuluisista teoksistaan - laukaukset laukkaavalla hevosella - oli hyödyllinen ratkaisemaan kiista siitä, koskettako eläin aina maata vähintään yhdellä jalalla laukan aikana (kävi ilmi, ettei se koskenut). Muybridgein keksimä kronofotografia toimi elokuvien perustana. Valokuvaaja tuskin kuvitteli, että hänen kuvansa pääsisivät mikrobien DNA: han (eikä hän tiennyt DNA: sta).
Kuinka tutkijat saavuttivat tämän? Suhteellisen äskettäin löydetyllä CRISPR / Cas9-järjestelmällä on ollut tärkeä rooli. Tämä on molekyylimekanismin nimi, joka toimii bakteerien sisällä ja antaa niiden taistella viruksia vastaan. CRISPR: t ovat "kasetteja" mikro-organismin DNA: n sisällä, ja ne koostuvat toistuvista osista ja ainutlaatuisista sekvensseistä - välikappaleista -, jotka ovat virus-DNA: n fragmentteja. Toisin sanoen CRISPR on eräänlainen tietopankki, jossa on tietoa patogeenisten aineiden geeneistä. Cas9-proteiini käyttää näitä tietoja tunnistamaan vieraat DNA: t oikein ja tekemään siitä vaarattoman leikkaamalla tietyssä paikassa.
Protospacer vastaa sekvenssiä, joka kerran "varastettiin" viruksesta ja josta tuli välike. Tutkijat käyttävät tätä molekyylimekanismia. Välike koodaa crRNA: ta, johon Cas9-proteiini kiinnitetään sitten. CrRNA: n sijasta voit käyttää synteettistä RNA: ta, jolla on tietty sekvenssi - ohjaava RNA (sgRNA) - ja kertoa saksille, mihin leikatut tutkijat haluavat.
Bakteeri saa välilevyt luonnollisesti lainaamalla protospacereita patogeenisistä viruksista. Kun fragmentti on työnnetty CRISPR: ään, protosfääristä tulee merkki, joka antaa mikro-organismin tunnistaa infektion.
CRISPR ei kuitenkaan rajoitu tähän. Bioteknologit ovat havainneet, että nämä "kasetit" voivat tallentaa tietoja käyttämällä ennalta syntetisoituja protospaceja. Kuten mikä tahansa DNA, protospacer koostuu nukleotideista. Nukleotideja on vain neljä - A, T, C ja G, mutta niiden erilaiset yhdistelmät voivat koodata mitä tahansa. Tällaiset tiedot luetaan sekvensoimalla - määrittämällä nukleotidisekvenssit organismin genomissa.
E. coli Kuva: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Tutkijat koodasivat ensin nelivärisen ja 21-värisen kuvan ihmisen kädestä. Ensimmäisessä tapauksessa kukin väri vastasi yhtä neljästä nukleotidista, toisessa kolmen nukleotidin ryhmää (tripletti). Jokainen protospacer oli 28 nukleotidin merkkijono, joka sisälsi tietoa pikselijoukosta (pikseli). Protospacerien erottamiseksi ne leimattiin neljällä nukleotidiviivakoodilla. Viivakoodin sisällä nukleotidi koodasi kahta numeroa (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Joten CCCT vastasi 00000001. Tämä nimitys antaa mahdollisuuden ymmärtää, missä kuvan osassa tämä tai tuo tietyn pikselin pikseli sijaitsee.
Mainosvideo:
Nelivärinen kuva kädestä koostui 56x56 pikselistä. Kaikki tämä tieto (784 tavua) mahtuu 112 protospaceriin. 21-värinen kuva oli pienempi (30x30 pikseliä), joten siihen riitti 100 protospaceria (494 tavua).
Mikään nukleotidisekvenssi ei kuitenkaan ole niin helppoa lisätä bakteeriin, toivoen, että se insertoi sen omaan DNA: han 100% todennäköisyydellä. Siksi triplettien nukleotidien yhdistelmiä ei valittu satunnaisesti, vaan siten, että G: n ja C: n kokonaispitoisuus peräkkäin oli vähintään 50 prosenttia. Tämä lisäsi bakteerien mahdollisuutta hankkia välike.
Kuva: Harry Ransom Center
Protospacerit lisättiin Escherichia coli -populaatioon elektroporaatiolla - huokosten muodostumisella bakteerisolujen lipidikalvoon sähkökentän vaikutuksesta. Bakteereilla oli toimiva CRISPR ja Cas1-Cas2-entsyymikompleksi, mikä mahdollisti uusien protosilmäkkeisiin perustuvien välikappaleiden luomisen.
Mikro-organismit jätettiin yöksi, ja seuraavana päivänä asiantuntijat analysoivat nukleotidisekvenssit CRISPR: ssä ja lukivat pikseliarvon. Lukutarkkuus saavutti 88 ja 96 prosentin nelivärisissä käsissä. Lisätutkimukset osoittivat, että välikappaleiden melkein täydellinen hankinta tapahtui kaksi tuntia ja 40 minuuttia elektroporaation jälkeen. Vaikka jotkut bakteerit kuolivat toimenpiteen jälkeen, tämä ei vaikuttanut tulokseen.
Tutkijat totesivat, että jotkut välikkeet olivat bakteereissa paljon yleisempiä kuin toiset. Kävi ilmi, että tähän vaikuttivat nukleotidit, jotka sijaitsevat aivan avaruusalueen lopussa ja muodostavat motiivin (heikosti vaihteleva sekvenssi). Tällainen motiivi, nimeltään AAM (hankinta vaikuttava motiivi), päättyi TGA-triplettiin. Tätä biologit käyttivät animaation koodaamiseen bakteereissa. Amerikkalainen valokuvaaja Edward Muybridge otti viisi 21-väristä kuvaa juoksevasta hevosesta. Niiden koko on 36 x 26 pikseliä.
Jokainen kehys koodattiin 104 ainutlaatuisen protospacerin joukolla, ja informaation määrä saavutti 2,6 kilotavua. Erityisiä nukleotidileimoja, jotka mahdollistivat yhden kehyksen sekvenssin erottamisen toisen sekvenssistä, ei toimitettu. Sen sijaan käytettiin erilaisia bakteeripopulaatioita. Siksi yhtä organismia ei ole vielä käytetty tiedon kantajana.
Tutkijat aikovat parantaa tätä lähestymistapaa. Toistaiseksi elävät olennot ovat kuitenkin kaukana tavallisista tiedon tallennuslaitteista. Tällaisten tutkimusten tarkoituksena on ensisijaisesti selvittää DNA-molekyylien laskennalliset valmiudet, mikä voi olla hyödyllistä sellaisen DNA-tietokoneen luomisessa, joka pystyy samanaikaisesti ratkaisemaan valtavan määrän ongelmia. Elävät organismit ovat kätevä alusta tieteelliselle tutkimukselle, koska ne sisältävät jo entsyymejä ja muita aineita, joita tarvitaan nukleotidiketjujen muuntamiseen.
Alexander Enikeev