Biologen van de Harvard University in de Verenigde Staten codeerden 's werelds eerste GIF, gemaakt in de 19e eeuw, in DNA van E. coli. De onderzoekers gebruikten CRISPR / Cas9-technologie om nucleotiden in het bacteriële genoom in te brengen die overeenkomen met de pixels waaruit de afbeelding bestaat. Door de DNA-sequentie te lezen, was het mogelijk om de video met een nauwkeurigheid van 90 procent te reproduceren. Het artikel van wetenschappers is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Edward Muybridge kan worden beschouwd als de maker van GIF-animatie. Hij was de eerste die camera's gebruikte om een reeks beelden te verkrijgen. Met behulp van een speciaal apparaat - een zoopraxiscoop - maakte hij er korte filmpjes van. Een van zijn beroemde werken - schoten met een galopperend paard - kwam goed van pas bij het oplossen van het geschil of het dier tijdens een galop altijd met minstens één voet de grond raakt (dat bleek niet zo te zijn). Chronofotografie, uitgevonden door Muybridge, diende als basis voor cinematografie. De fotograaf had echter nauwelijks kunnen vermoeden dat zijn foto's in het DNA van microben zouden komen (en hij wist niets van DNA af).
Hoe hebben de onderzoekers dit bereikt? Het relatief recent ontdekte CRISPR / Cas9-systeem heeft een belangrijke rol gespeeld. Dit is de naam van het moleculaire mechanisme dat in bacteriën werkt en waarmee ze virussen kunnen bestrijden. CRISPR's zijn 'cassettes' in het DNA van een micro-organisme, die bestaan uit herhalende secties en unieke sequenties - spacers - die fragmenten zijn van viraal DNA. Dat wil zeggen, CRISPR is een soort databank met informatie over de genen van ziekteverwekkers. Het Cas9-eiwit gebruikt deze informatie om vreemd DNA correct te identificeren en onschadelijk te maken door op een specifieke locatie te knippen.
De protospacer komt overeen met de reeks die ooit van het virus was "gestolen" en werd een spacer. Wetenschappers gebruiken dit moleculaire mechanisme. De spacer codeert voor crRNA, waaraan vervolgens het Cas9-eiwit wordt gehecht. In plaats van crRNA kun je een synthetisch RNA met een specifieke sequentie gebruiken - gids-RNA (sgRNA) - en de schaar vertellen waar de wetenschappers willen knippen.
De bacterie verkrijgt op natuurlijke wijze spacers door protospacers te lenen van pathogene virussen. Zodra het fragment in CRISPR is ingebracht, wordt de protospacer een teken waarmee het micro-organisme de infectie kan herkennen.
CRISPR is hier echter niet toe beperkt. Biotechnologen hebben ontdekt dat deze "cassettes" informatie kunnen opnemen met behulp van vooraf gesynthetiseerde protospacers. Zoals elk DNA is een protospacer samengesteld uit nucleotiden. Er zijn slechts vier nucleotiden - A, T, C en G, maar hun verschillende combinaties kunnen voor alles coderen. Dergelijke gegevens worden gelezen door sequencing - door de nucleotidesequenties in het genoom van het organisme te bepalen.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Ten eerste codeerden wetenschappers een vierkleuren- en 21-kleurenafbeelding van een menselijke hand. In het eerste geval kwam elke kleur overeen met een van de vier nucleotiden, in het tweede met een groep van drie nucleotiden (triplet). Elke protospacer was een string van 28 nucleotiden die informatie bevatte over een set pixels (pixel). Om protospacers te onderscheiden, werden ze gelabeld met vier nucleotide-streepjescodes. Binnen de streepjescode codeerde de nucleotide twee cijfers (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). CCCT kwam dus overeen met 00000001. Deze aanduiding maakt het mogelijk om te begrijpen in welk deel van de afbeelding een bepaalde pixel van een bepaalde pixel zich bevindt.
Promotie video:
De vierkleurenafbeelding van de hand bestond uit 56x56 pixels. Al deze informatie (784 bytes) past in 112 protospacers. De 21-kleurenafbeelding was kleiner (30x30 pixels), dus 100 protospacers (494 bytes) waren er genoeg voor.
Het is echter niet zo eenvoudig om een nucleotidesequentie in een bacterie in te voegen, in de verwachting dat deze deze met 100% waarschijnlijkheid in zijn eigen DNA zal invoegen. Daarom werden de combinaties van nucleotiden in tripletten niet willekeurig gekozen, maar zodat het totale gehalte aan G en C op een rij minstens 50 procent was. Dit verhoogde de kans dat de bacteriën de spacer bemachtigen.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacers werden geïntroduceerd in de populatie van Escherichia coli door elektroporatie - het creëren van poriën in het lipidenmembraan van bacteriële cellen onder invloed van een elektrisch veld. De bacterie bezat functionele CRISPR en het Cas1-Cas2-enzymcomplex, waardoor het mogelijk werd om nieuwe spacers te creëren op basis van protospacers.
De micro-organismen bleven een nacht staan en de volgende dag analyseerden specialisten de nucleotidesequenties in CRISPR en lazen ze de pixelwaarde. De leesnauwkeurigheid bedroeg respectievelijk 88 en 96 procent voor vierkleuren- en 21-kleurenwijzers. Aanvullende studies toonden aan dat bijna volledige acquisitie van spacers twee uur en 40 minuten na elektroporatie plaatsvond. Hoewel sommige bacteriën stierven na de procedure, had dit geen invloed op het resultaat.
De wetenschappers merkten op dat sommige spacers veel vaker voorkwamen bij bacteriën dan andere. Het bleek dat dit werd beïnvloed door nucleotiden die zich helemaal aan het einde van de protospacer bevonden en een motief vormden (zwak variabele sequentie). Zo'n motief, genaamd AAM (acquisitie beïnvloedend motief), eindigde met een TGA-triplet. Dit werd door biologen gebruikt om animatie in bacteriën te coderen. Vijf 21-kleurenfoto's van een rennend paard werden gemaakt door de Amerikaanse fotograaf Edward Muybridge. Ze zijn 36 bij 26 pixels groot.
Elk frame werd gecodeerd met een set van 104 unieke protospacers en de hoeveelheid informatie bereikte 2,6 kilobytes. Er werden geen speciale nucleotidelabels verstrekt waarmee de sequentie van het ene frame kon worden onderscheiden van de sequentie van een ander. In plaats daarvan werden verschillende populaties bacteriën gebruikt. Er is dus nog geen enkel organisme als informatiedrager gebruikt.
Wetenschappers zijn van plan deze aanpak te verbeteren. Tot dusver lopen levende wezens echter ver achter op de gebruikelijke apparaten voor informatieopslag. Dergelijke studies zijn in de eerste plaats gericht op het ophelderen van de rekenmogelijkheden van DNA-moleculen, die nuttig kunnen zijn voor het maken van DNA-computers die tegelijkertijd een groot aantal problemen kunnen oplossen. Levende organismen zijn een handig platform voor wetenschappelijk onderzoek, omdat ze al enzymen en andere stoffen bevatten die nodig zijn voor de modificatie van nucleotideketens.
Alexander Enikeev
