Harvard-Forscher haben kürzlich ein GIF-Bild in die DNA eines lebenden Organismus codiert. Die Forschung war veröffentlicht am 12. Juli von Nature.
GIF extrahiert aus den DNA-Schnipseln, die neben dem Originalbild in die Zellen lebender Bakterien implantiert wurden. [Bildquelle: Harvard University über GIPHY]
Es gibt viele Möglichkeiten, digitale Medien zu speichern - USB-Sticks, SD-Karten, DVDs - die Liste könnte noch eine Weile fortgesetzt werden. Jetzt ist DNA dazugekommen.
DNA-Computing entwickelt sich schnell und könnte bald die gesamte Star Wars-Serie, alle Lieblingssongs und jedes Katzenbild, das Sie jemals gesehen haben, in einem winzigen Gerät enthalten, das mit bloßem Auge unsichtbar ist. Ein Team der Harvard University unter der Leitung eines GenetikersGeorge Church erkennen die enormen Speicherfähigkeiten von DNA, nachdem sie erfolgreich eine Reihe von Fotos in die DNA lebender Bakterien eingebettet haben.
Die fünf Frames, die die Forscher für die DNA-Verschlüsselung ausgewählt haben, waren eine der frühesten Aufnahmen, die der britische Fotograf Eadweard Muybridge jemals gemacht hat. Die Fotoserie zeigt eine Stute namens Annie G. im Galopp im Jahr 1887. Als eine vondie ersten Aufnahmen eines biologischen Tieres, die ausgewählten Bilder sind ein Gebot und eine Art Fortsetzung von Muybridges Werk.
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 zerstörten.
Vorherige DNA-Aufnahmen
Forscher entwickeln seit einigen Jahren teure und intrusive Methoden, die die DNA lebender Organismen ernten, um digitale Daten außerhalb der Wirtszellen zu speichern. Es überrascht nicht, dass die Zellen dabei beschädigt werden und nach der Extraktion sofort absterben.
Harvard-Forscher verändern die Art und Weise, wie Daten auf DNA aufgezeichnet werden, indem sie Techniken entwickeln, die es lebenden Zellen ermöglichen, Daten ihr ganzes Leben lang zu übertragen und zu reproduzieren. Die neue Technik ermöglicht es Wissenschaftlern, lebende Zellen zu programmieren und die Informationen jederzeit abzugreifen, ohne die Zelle zu zerstörenLebenszyklus.
Live-DNA mit digitalen Daten codieren
Im Jahr 2016 ein gemeinsames Team des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und der Harvard Medical School HMS unter der Leitung des Genetikers George Church baute den ersten molekularen Rekorder auf Basis des CRISPR-Systems. Die Technik ermöglichte es den Forschern, Daten in das Genom lebender Bakterien zu kodieren – in diesem Fall E. coli.
„So vielversprechend das auch war, wir wussten nicht, was passieren würde, wenn wir versuchten, etwa 100 Sequenzen auf einmal zu verfolgen, oder ob es überhaupt funktionieren würde. Dies war entscheidend, da wir dieses System verwenden möchten, um komplexe biologische Aufzeichnungen zu machen.“Veranstaltungen als unser oberstes Ziel“, sagte Seth Shipman, ein Postdoktorand, der für Church arbeitet und der Erstautor der Studie ist.
Jetzt, ein Jahr später, haben dieselben Forscher die Funktionalität des CRISPR-Systems bewiesen. Der neue Ansatz ermöglicht es Forschern, komplexe Informationen sequentiell als Bewegtbild zu kodieren.
Wie CRISPR funktioniert
Das CRISPR-System ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das Wissenschaftler verwenden, um Genome präzise zu bearbeiten. In der Natur funktioniert das System, indem es Informationen über invasive virale Genome codiert im Wesentlichen Anweisungen, die Viren in DNA-Sequenzen injizieren, um Zellen dazu zu bringen, andere Viruskörper zu replizieren. Spezifische Proteineinnerhalb des Körpers kann den aufdringlichen Code erkennen und ihn bearbeiten, indem er die infizierte DNA aufschneidet und die Schurkenanweisungen extrahiert.
Forscher verwenden die gleiche Technik, um spezifische DNA-Stränge zu finden und ihnen Stränge zu implantieren, die programmierte Daten enthalten.
Der Prozess beginnt mit der Injektion eines Proteins, das als molekulares Skalpell auf die DNA wirkt. Das Protein wird zuerst an eine RNA-Sequenz Ribonukleinsäure - eine Nukleinsäure mit der Hauptaufgabe, Anweisungen zur Kodierung und Dekodierung spezifischer Genome zu tragen angehängt.
Die in das Protein implantierte RNA-Sequenz stimmt mit der DNA-Sequenz überein, die die Forscher bearbeiten wollen. Durch das Einfügen in das Protein kann es sich an einer bestimmten Stelle entlang eines DNA-Strangs erkennen und daran anheften. Von dort aus an die Ziel-DNA gebunden, spaltet eine chemische Reaktion den DNA-Strang. Die gespaltene DNA wird dann mit einem neuen Spacer eingefügt, der die kodierten Daten enthält.
Bisher wurde die Technik verwendet, um DNA-Sequenzen zu bearbeiten, die die RNA-Informationen liefern, um virale Genome, die von Viren inseriert wurden, zu erkennen, anzuvisieren und zu zerstören. Anstelle der Anweisungen, virale Genome zu suchen und zu zerstören, 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 aufgespalten und ein mit Daten gefüllter Spacer eingefügt wird. [Bildquelle: Harvard-Universität]
In der kürzlich veröffentlichten Arbeit verwenden Wissenschaftler das CRISPR-Immunsystem, um eine Reihe von Bildern in die DNA-Stränge zu kodieren.
Das Forschungsteam führte seine kodierte DNA in E. coli-Bakterien mit einer erstaunlich langsamen Geschwindigkeit von einem Frame pro Tag über einen Zeitraum von fünf Tagen ein. Da das CRISPR-System die kodierten DNA-Schnipsel nacheinander einfügt, indem es die Position jedes Schnipsels 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 Framenummer in einen DNA-Code übersetzen, der mit zusätzlichen Sequenzen in Spacer eingebaut wird. Jeder Frame wird so zu einer Sammlung vonSpacer", sagte Shipman. "Dann stellten wir einer Bakterienpopulation chronologisch Spacer-Sammlungen für aufeinanderfolgende Frames zur Verfügung, die sie mithilfe von Cas1/Cas2-Aktivität zu den CRISPR-Arrays in ihren Genomen hinzufügten. Und nachdem wir alle Arrays wieder aus der Bakterienpopulation vonDNA-Sequenzierung konnten wir endlich alle Frames des Galopping-Pferde-Films und die Reihenfolge, in der sie erschienen, rekonstruieren. sagt Seth Shipman, ein Postdoktorand, der Church bei der Forschung unterstützte.
Jedes Pixel wird markiert und nacheinander in einen DNA-Strang kodiert, sodass Forscher die Informationen extrahieren und entschlüsseln können. [Bildquelle: Harvard-Universität]
Die Zukunft der Menschheit in DNA kodieren
Es handelt sich um eine komplexe Technologie, die es Forschern jedoch ermöglicht, Datensätze gezielt in die DNA lebender Organismen einzufügen und sie präzise einzufügen, ohne dabei 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 deutlich vergrößertes Potenzial ermöglichenzum Erwerb von Erinnerungen und deren Hinterlegung im Genom als Informationen, 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,
„Weiter genutzt könnte dieser Ansatz eine Möglichkeit darstellen, verschiedene Arten lebender Zellen in ihren natürlichen Gewebeumgebungen dazu zu bringen, die formativen Veränderungen, die sie durchlaufen, in einem synthetisch erzeugten Gedächtnis-Hotspot in ihren Genomen aufzuzeichnen.
Die Forscher hoffen, dass die Techniken für Zellen verwendet werden könnten, um wichtige Informationen über die Funktionsweise der Organe und anderer Körpersysteme aufzuzeichnen.
„Eines Tages werden wir vielleicht in der Lage sein, alle Entwicklungsentscheidungen zu 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 entwicklungsbezogenenProzesse werden choreografiert“, sagt Shipman.
Vielleicht werden die Methoden in Zukunft Medizinern helfen, den frühen Ausbruch von Krankheiten zu erkennen und das Innenleben des Körpers besser zu verstehen. Im Wesentlichen ist es 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 es sich um ein vielversprechendes Forschungsgebiet handelt, das die Interaktion von Ärzten mit dem menschlichen Körper revolutioniert.
Über Die Harvard Gazette
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Geschrieben von Maverick Baker