Из ДНК бактерий создали "жёсткий диск" и записали на него видео

Исследователи "перепрофилировали" белки Cas1 и Cas2 для работы с цифровой информацией.
Иллюстрация Wyss Institute at Harvard University.

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 первое молекулярное устройство для записи, работающее при помощи системы CRISPR. Оно могло бы записывать, хранить информацию и извлекать нужную в виде массива последовательностей – и всё это производилось бы 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 записывать цифровую информацию (например, изображения неподвижных и движущихся объектов) в живых бактериях.

Поясним, что система CRISPR помогает бактериям вырабатывать иммунитет под постоянным натиском вирусов в их среде. "В память" о выживших после таких инфекций микроорганизмах бактерии захватывают части молекул вирусной ДНК и генерируют из них короткие последовательности, которые постепенно накапливаются. Таким образом собирается постоянно растущий массив информации, и эта "антивирусная библиотека" расположена в локусе CRISPR в геноме бактерии.

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

Чёрч и его коллеги попробовали 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.

 

Когда же учёные впоследствии извлекли все массивы из геномов бактерий путём прочтения их 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 (ниже слева показано первичное изображение, а справа — восстановленное из "жёсткого диска" на основе ДНК).

Авторы работы добавляют, что теперь сосредоточатся на создании устройств для молекулярной записи в других типах клеток. Также они хотят разработать 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".

Сегодня