Живи бактерии като "видеорекордер"

Изследователите превръщат живите клетки в хранилища за изображения и филми

Това изображение на галопиращ кон е запазено от американски изследователи в живи бактерии - дори като видео. © Сет Шипман
чете на глас

Клетки като съхранение на данни: Американските изследователи за първи път съхраняват снимка и дори филм в генома на живите бактерии. За това те кодираха информацията за изображението в парчета ДНК, които бяха изградени от клетките в генетичния им материал. Чрез ДНК секвениране на клетките данните могат да бъдат припомнени, както съобщават изследователите в списание „Nature“. Това отваря напълно нови възможности за съхранение на биологични данни.

Изследователите отдавна експериментират, за да използват ДНК като средство за съхранение на данни. Тъй като кодирана като бази, паметта със значително по-голяма плътност на данните е възможна, отколкото в конвенционалните компютри - и те биха били много по-трайни от конвенционалните носители на данни. Досега обаче такова съхранение на ДНК се генерира предимно in vitro и се чете отново - така да се каже, в епруветка.

Живи клетки вместо гола ДНК

Но Сет Шипман и неговите колеги от Харвардския университет са преминали една стъпка по-напред, като трансформират живи бактериални клетки в хранилища на данни. „Това ни позволява да създаваме организми, които сами поемат информацията, съхраняват я и я предават за дълго време“, обясняват изследователите.

Това е възможно благодарение на генетичен инструмент, който много бактерии естествено притежават: системата CRISPR / Cas9. Микробите използват тези генни ножици за изрязване на генни изрезки от генома на нахлуващи вируси и ги вмъкват в собствената си ДНК. Тези пакети с ДНК служат на бактериите като вид памет и им помагат да предотвратяват по-ефективно бъдещите вирусни атаки.

ДНК пакетите кодират данни за изображения

Сега изследователите са използвали това бактериално ДНК съхранение за свои цели. За това те кодираха информацията за изображението на черно-бялото изображение на ръка като последователност от ДНК бази. Всяка от 28 ДНК бази съхранява данните на пиксел, общо 784 байта информация са кодирани. ДНК веригите, генерирани в лабораторията, бяха адаптирани по структура към типичните ДНК пакети, генерирани от бактериите, използващи CRISPR. показ

Снимка на ръката преди и след запазване и възстановяване от бактериалните клетки. Сет Шипман

След това тези пакети се инжектират в клетките на популация бактерии Escherichia coli. След това микробите се поддържат нормални за един ден в културата. Тогава учените взели няколко бактериални клетки и секвенирали целия им генетичен материал. Ако бактериите бяха включили чуждестранната ДНК по план, ще трябва да я възвърнат.

Удивително добро качество

И наистина: Изследователите успяха да възстановят информацията за изображенията, кеширана в живите клетки и това удивително напълно: „Между 88 и 96 процента от пикселните последователности могат да бъдат точно извлечени за преносимите изображения“, Докладвайте Шипман и неговите колеги. Реконструираното черно-бяло изображение на ръката едва ли се различаваше от оригинала.

Допълнителни анализи показват, че бактериите вече са включили чуждата ДНК в генома си за два часа. Тези данни остават стабилни за най-малко шест дни, стабилни за 48 бактериални поколения. "Това показва, че тази система може да поеме и съхранява практически използваеми количества данни в генома на популация от живи клетки", казват учените.

Дори видеото върви

Фактът, че бактериите могат дори да съхраняват филмови данни, се потвърждава от втория експеримент на изследователите. За това те превърнаха пет видеокадри на галопиращ кон в пакети с ДНК. Кадрите, закодирани по този начин, дадоха на учените време да се пренасочат към бактериалната култура - един пакет ДНК на ден. В резултат клетките вграждаха тези данни една след друга в своя геном и така кодираха правилния ред на кадрите.

Анимиран gif на галопиращия кон - преди и след съхраняване в бактериалните клетки. Сет Шипман

Това също работи: "Ние успяхме да реконструираме всеки кадър, а също и реда на кадрите", докладват Шипман и неговите колеги. Реконструкцията беше над 90 процента завършена. CRISPR машината на микробите дори ги прави живи „видеорекордери“.

„Тези резултати представляват важен напредък в съхраняването на данни на базата на ДНК чрез получаване на биологичната машина на живите клетки за записване, архивиране и споделяне на информация”, коментира Доналд Ингбер, съосновател на Института за биологично развитие Wyss Вдъхновен инженеринг на Харвардския университет. „Това е още един пример за биологично вдъхновено инженерство.“ (Nature, 2017; doi: 10.1038 / nature23017)

(Институт Wyss за биологично вдъхновено инженерство в Харвард, 13.07.2017 - NPO)