Harvard-Forscher haben kürzlich ein GIF-Bild in die DNA eines lebenden Organismus kodiert. Die Forschung war veröffentlicht am 12. Juli von Nature .
GIF extrahiert aus den DNA-Schnipsel, die neben dem Originalbild in die Zellen lebender Bakterien implantiert wurden. [Bildquelle : Harvard University via GIPHY ]
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Speichern digitaler Medien - USB-Sticks, SD-Karten, DVDs - die Liste könnte noch eine Weile dauern. Jetzt hat sich DNA den Reihen angeschlossen.
DNA-Computing entwickelt sich schnell und könnte bald die gesamte Star Wars-Serie, alle Lieblingssongs und jedes Katzenbild enthalten, das Sie jemals in einem winzigen Gerät gesehen haben, das für das bloße Auge unsichtbar ist. Ein Team der Harvard University unter der Leitung eines GenetikersGeorge Church erkennt die enormen Speicherkapazitäten von DNA, nachdem eine Reihe von Fotos erfolgreich in die DNA lebender Bakterien eingebettet wurde.
Die fünf Frames, die Forscher ausgewählt haben, um in die DNA zu kodieren, waren eine der frühesten Aufnahmen, die der britische Fotograf Eadweard Muybridge jemals gemacht hat. Die Fotoserie zeigt eine Stute namens Annie G., die 1887 galoppiertBei den ersten Aufnahmen eines biologischen Tieres sind die ausgewählten Bilder ein Gebot und eine Art Fortsetzung von Muybridges Arbeit.
Die jüngste Veröffentlichung der Arbeit von Church und seinen Kollegen ist ein großartiger Fortschritt in der molekularen Aufzeichnung. Die Arbeit ist eine Verbesserung früherer DNA-Codierungstechniken, die die Wirtszelle störten.
Frühere DNA-Aufzeichnungen
Seit einigen Jahren entwickeln Forscher teure und aufdringliche Methoden, mit denen die DNA lebender Organismen geerntet wird, um digitale Daten außerhalb der Wirtszellen zu speichern. Es überrascht nicht, dass die Zellen dabei beschädigt werden und sofort nach der Extraktion absterben.
Harvard-Forscher ändern die Art und Weise, wie Daten auf DNA aufgezeichnet werden, indem sie Techniken entwickeln, mit denen lebende Zellen Daten während ihres gesamten Lebens tragen und reproduzieren können. Mit dieser neuen Technik können Wissenschaftler lebende Zellen programmieren und jederzeit auf die Informationen zugreifen, ohne die Zelle zu zerstörenLebenszyklus.
Codierung von Live-DNA mit digitalen Daten
Bereits 2016 ein gemeinsames Team des Wyss Institute for Biological Inspired Engineering und der Harvard Medical School HMS unter der Leitung des Genetikers George Church baute den ersten molekularen Rekorder basierend auf dem CRISPR-System . Die Technik ermöglichte es den Forschern, Daten in das Genom lebender Bakterien zu kodieren - in diesem Fall E. coli.
„So vielversprechend dies auch war, wir wussten nicht, was passieren würde, wenn wir versuchen würden, ungefähr 100 Sequenzen gleichzeitig zu verfolgen, oder ob es überhaupt funktionieren würde. Dies war kritisch, da wir dieses System zur Aufzeichnung komplexer biologischer Zwecke verwenden wollenEreignisse als unser oberstes Ziel “, sagte Seth Shipman, ein Postdoktorand, der mit Church und dem Erstautor der Studie zusammenarbeitet.
Jetzt, ein Jahr später, haben dieselben Forscher die Funktionalität des CRISPR-Systems bewiesen. Der neue Ansatz ermöglicht es Forschern, komplexe Informationen nacheinander als Film zu codieren.
Wie CRISPR funktioniert
Das CRISPR-System ist ein leistungsstarkes Werkzeug, mit dem Wissenschaftler Genome präzise bearbeiten. In der Natur codiert das System Informationen über invasive Virusgenome im Wesentlichen Anweisungen, die Viren in DNA-Sequenzen injizieren, um Zellen zur Replikation anderer Viruskörper zu verleiten. Spezifische Proteineim Körper kann den aufdringlichen Code erkennen und bearbeiten, indem die infizierte DNA in Scheiben geschnitten und die Anweisungen der Schurken extrahiert werden.
Forscher verwenden dieselbe Technik, um bestimmte DNA-Stränge zu finden und ihnen Stränge mit programmierten Daten zu implantieren.
Der Prozess beginnt mit der Injektion eines Proteins, das als molekulares Skalpell auf die DNA wirkt. Das Protein wird zunächst an eine RNA-Sequenz gebunden Ribonukleinsäure - eine Nukleinsäure mit der Hauptaufgabe, Anweisungen zum Kodieren und Dekodieren bestimmter Genome zu tragen.
Die in das Protein implantierte RNA-Sequenz entspricht der DNA-Sequenz, die die Forscher bearbeiten möchten. Durch Einfügen in das Protein kann es einen bestimmten Punkt entlang eines DNA-Strangs erkennen und an diesen binden. Von dort aus, sobald es an die Ziel-DNA gebunden istEine chemische Reaktion spaltet den DNA-Strang. Die gespaltene DNA wird dann mit einem neuen Spacer eingefügt, der die codierten Daten enthält.
Zuvor wurde die Technik verwendet, um DNA-Sequenzen zu bearbeiten, die die RNA-Informationen zum Erkennen, Zielen und Zerstören von durch Viren inserierten viralen Genomen liefern. Anstelle der Anweisungen zum Suchen und Zerstören von viralen Genomen implantierten die Forscher stattdessen codierte Informationen in DNA-Strängedas könnte später als Bild abgerufen werden.
Bild zeigt die Schritte von CRISPR, die Immunität gegen virale Genome erzeugen. Dieselben Schritte werden verwendet, um Informationen innerhalb eines DNA-Strangs zu kodieren, indem die Sequenz aufgeteilt und ein mit Daten gefüllter Spacer eingefügt wird. [Bildquelle : Harvard University ]
In der kürzlich veröffentlichten Arbeit verwenden Wissenschaftler das CRISPR-Immunsystem, um eine Reihe von Bildern in die DNA-Stränge zu kodieren.
Das Forscherteam führte seine codierte DNA über einen Zeitraum von fünf Tagen mit einer erstaunlich langsamen Geschwindigkeit von einem Frame pro Tag in E. coli-Bakterien ein. Da das CRISPR-System die codierten DNA-Snippets nacheinander einfügt, indem es die Position jedes Snippets entlang derDNA-Stränge konnten die Forscher die Position jedes Pixels bestimmen.
„Wir haben Strategien entwickelt, die im Wesentlichen die in jedem Pixel eines Bildes oder Frames enthaltenen digitalen Informationen sowie die Frame-Nummer in einen DNA-Code übersetzen, der mit zusätzlichen Sequenzen in Spacer integriert wird. Jeder Frame wird so zu einer Sammlung vonSpacer ", sagte Shipman." Wir haben dann Spacer-Sammlungen für aufeinanderfolgende Frames chronologisch für eine Population von Bakterien bereitgestellt, die sie unter Verwendung der Cas1 / Cas2-Aktivität zu den CRISPR-Arrays in ihren Genomen hinzugefügt habenDurch die DNA-Sequenzierung konnten wir endlich alle Bilder des galoppierenden Pferdefilms und die Reihenfolge, in der sie erschienen, rekonstruieren. “ sagt Seth Shipman ein Postdoktorand, der Church bei der Recherche unterstützt hat.
Jedes Pixel wird nacheinander markiert und in einen DNA-Strang codiert, sodass Forscher die Informationen extrahieren und decodieren können. [Bildquelle : Harvard University ]
Kodierung der Zukunft der Menschheit in DNA
Es handelt sich um eine komplexe Technologie, mit der Forscher gezielt Datensätze gezielt in die DNA lebender Organismen einfügen können, ohne dabei die Zellen zu schädigen.
„In dieser Studie zeigen wir, dass zwei Proteine des CRISPR-Systems, Cas1 und Cas2, die wir zu einem molekularen Aufzeichnungswerkzeug entwickelt haben, zusammen mit einem neuen Verständnis der Sequenzanforderungen für optimale Spacer ein signifikant vergrößertes Potenzial ermöglichenum Erinnerungen zu sammeln und sie im Genom als Informationen abzulegen, die von Forschern von außen bereitgestellt werden können oder die in Zukunft aus den natürlichen Erfahrungen der Zellen gebildet werden könnten “ erklärt Kirche . Er fährt fort,
„Dieser Ansatz könnte eine Möglichkeit bieten, verschiedene Arten lebender Zellen in ihrer natürlichen Gewebeumgebung dazu zu bewegen, die prägenden Veränderungen aufzuzeichnen, die sie in einem synthetisch erzeugten Gedächtnis-Hotspot in ihrem Genom erfahren.“
Die Forscher hoffen, dass die Techniken als Mittel für Zellen verwendet werden können, um wichtige Informationen über die Funktionsweise der Organe und anderer Körpersysteme aufzuzeichnen.
„Eines Tages können wir möglicherweise alle Entwicklungsentscheidungen verfolgen, die ein differenzierendes Neuron von einer frühen Stammzelle zu einem hochspezialisierten Zelltyp im Gehirn trifft, was zu einem besseren Verständnis der grundlegenden biologischen und entwicklungsbedingten Faktoren führtProzesse werden choreografiert “, sagt Shipman.
Vielleicht werden die Methoden in Zukunft Medizinern helfen, das frühe Auftreten von Krankheiten zu erkennen und das Innenleben des Körpers besser zu verstehen. Im Wesentlichen ist dies eine Möglichkeit für den Menschen, sich auf molekularer Ebene mit dem menschlichen Körper zu verbinden und mit ihm zu interagieren.Oder, vielleicht etwas bizarrer, programmieren Sie Filme in Ihren eigenen lebenden Körper.
Die Forschung steckt noch in den Kinderschuhen, obwohl sie ein vielversprechendes Forschungsgebiet ist, das die Interaktion von Ärzten mit dem menschlichen Körper revolutioniert.
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Geschrieben von Maverick Baker