CRISPR-система как биологический жесткий диск: запись изображений и видео в геном бактерий
Исследователи из Института Висса и Гарвардской медицинской школы под руководством Джорджа Черча создали молекулярное записывающее устройство на основе CRISPR, способное кодировать сложную информацию в живых клетках.
Суть технологии
- Система CRISPR-Cas, естественный иммунный механизм бактерий, была перепрофилирована.
- Используются белки Cas1 и Cas2, которые встраивают последовательности ДНК («спейсеры») в CRISPR-локус бактериального генома в хронологическом порядке.
- Это превращает геном бактериальной популяции в биологический жесткий диск с хронологической памятью.
Экспериментальное доказательство
В исследовании, опубликованном в Nature, команда успешно закодировала в геномах бактерий:
- Оцифрованное изображение человеческой руки.
- Последовательность кадров одного из первых в истории фильмов — скачущей лошади.
Как это работает:
- Цифровая информация каждого пикселя и номера кадра переводится в ДНК-код.
- Эти последовательности оформляются в спейсеры. Каждый кадр фильма — это набор спейсеров.
- Коллекции спейсеров для последовательных кадров хронологически предоставляются популяции бактерий.
- Белки Cas1/Cas2 добавляют эти спейсеры в растущие CRISPR-массивы в их геномах.
- После секвенирования ДНК всех массивов можно восстановить все кадры фильма в правильном порядке.
Научное значение и перспективы
- Определены правила: В ходе анализа были выявлены требования к последовательностям спейсеров, которые облегчают или предотвращают их встраивание («можно» и «нельзя» в дизайне спейсеров).
- Будущие цели: Ученые планируют:
- Адаптировать технологию для других типов клеток.
- Настроить систему для записи биологической информации (например, молекулярных событий в развивающейся клетке).
- Потенциально отслеживать все этапы дифференцировки нейрона от стволовой клетки до специализированного типа, что углубит понимание развития мозга.
- Применения: Технология может привести к улучшению методов генерации клеток для регенеративной терапии, моделирования заболеваний и тестирования лекарств.
Цитата Джорджа Черча: «Этот подход открывает возможность "настроить" разные типы живых клеток в их естественной среде на запись ключевых изменений, которые они претерпевают, в синтетически созданную "горячую точку" памяти в их геномах».
Эта работа представляет собой значительный шаг в области хранения информации на ДНК, используя биологические machinery живых клеток для записи и архивирования данных, а также открывает новые пути для изучения динамических биологических процессов.