Исследователи "перепрофилировали" белки Cas1 и Cas2 для работы с цифровой информацией.


Каждый живой организм имеет собственное хранилище информации в виде ДНК. Преимущество биологического "жёсткого диска" заключается в огромной плотности хранимой информации, а также долговечности: информация на ДНК-накопителях может храниться тысячелетиями.

Один грамм ДНК способен хранить объём информации, производимый человечеством за год, утверждают учёные из Гарварда, которые в 2012 году записали целую книгу на этот сверхплотный, долговечный и надёжный носитель. В том же году другая команда исследователей получила первое изображение, созданное при помощи ДНК-кодирования.

Открытие революционной технологии редактирования генов CRISPR подарило исследователям новые возможности, и в 2016 году команда во главе с Джорджем Чёрчем (George Church) смоделировала первый молекулярный регистратор на основе этой системы. С его помощью информацию можно записывать, хранить и извлекать в виде массива последовательностей – всё это прямо в геноме бактерии.

"Это было многообещающе, но мы не знали, что произойдет, когда мы попытаемся отследить около ста последовательностей сразу, и будет ли эта система вообще работать. Это было важно, поскольку мы стремимся использовать эту технологию для записи биологических событий – это и есть наша конечная цель", — рассказал соавтор исследования Сет Шипман (Seth Shipman).

Но теперь учёные знают, что это возможно, ведь буквально на днях они записали на ДНК-носитель один из первых видеороликов в истории человечества, снятый в 1878 году пионером фото- и видеосъёмки Эдвардом Мэйбриджем.



В этом помогла новая, основанная на системе CRISPR технология, которая позволяет хронологически регистрировать цифровую информацию (например, изображения неподвижных и движущихся объектов) в живых бактериях.

Поясним, что система CRISPR помогает бактериям развивать иммунитет против постоянного натиска вирусов в их среде. В память о выживших инфекциях она захватывает молекулы вирусной ДНК и генерирует из них короткие последовательности, которые постепенно накапливаются. Таким образом получается постоянно растущий массив информации – эта "антивирусная библиотека" расположена в локусе CRISPR в геноме бактерии.

Широко используемый сегодня белок CRISPR-Cas9 использует эту память для уничтожения тех же вирусов, когда они возвращаются. Однако другие части системы CRISPR до сих пор не привлекали особого внимания (пожалуй, кроме Cas13a – эту нуклеазу использовали для создания теста SHERLOCK, который охотится на патогены и мутации).

Чёрч и его коллеги решили использовать белки Cas1 и Cas2 – они "перепрофилировали" их для работы с цифровой информацией.

"Мы разработали стратегии, которые существенно преобразуют цифровую информацию, содержащуюся в каждом пикселе изображения или кадра, а также номер кадра в код ДНК, который с дополнительными последовательностями включается в спейсеры (участки нетранскрибируемой ДНК, расположенные между тандемно повторяющимися генами – прим.ред.)", — поясняет Шимпан. Затем исследователи разместили их в хронологическом порядке в массивах CRISPR в геномах кишечной палочки.





Но самое интересное – когда учёные извлекли все массивы из геномов бактерий путём секвенирования ДНК, они с 90%-ной точностью восстановили полноценное видео – тот самый фильм 1878 года.

Кроме того, специалисты проделали то же самое со статичным изображением человеческой руки.



Авторы работы добавляют, что теперь сосредоточатся на создании устройств для молекулярной записи в других типах клеток, а также начнут разрабатывать новые системы для записи биологической информации. В самых смелых планах – создание "помнящих клеток", которые будут полезны в регенеративной медицине, тестах на наркотики, а также для моделирования и изучения болезней.

Работа с описанием невероятного достижения молекулярных инженеров опубликована в журнале Nature.

Кстати, ранее корреспонденты проекта "Вести.Наука" сообщали, что в горстке семян растений можно хранить целую библиотеку. Более того, всю (!) информацию человечества можно сохранить в одной комнате при помощи алгоритма под названием "ДНК-фонтан".