Piotr Stanisławski
Animacja zapisana w bakterii. Fot. Seth L. Shipman et al. (2017)
Jedna z najsłynniejszych animacji świata została zapisana – i co równie ważne odczytana – w DNA bakterii E. coli. To krok to zbudowania komórkowych „nanokamer” rejestrujących niedostępne dla człowieka procesy.
Niedawno pisaliśmy o tym, że DNA może całkiem nieźle nadawać się do przechowywania informacji. W dyskusji pod postem na Facebooku zwracaliście uwagę m.in. na dziwaczność takiego sposobu zapisu danych. Jednak najnowsza publikacja z magazynu Nature pokazuje, że pomysłowe wykorzystanie tego nośnika informacji może w przyszłości dawać ogromne możliwości.
Naukowcy z Harvard University pracujący pod kierownictwem neurologa Setha Shipmana zdołali zapisać w DNA żywej (to ważne) bakterii E. coli (czyli pałeczki okrężnicy) sekwencję 5 obrazów.
Co ciekawe nie była to byle jaka animacja, a słynny „film” „Sallie Gardner at a Gallop”. Powstał on w 1878 roku po to, by ostatecznie rozstrzygnąć stary spór o to, czy koń w galopie ma moment, w którym nie dotyka żadną nogą ziemi. Ludzkie oko nie jest w stanie zarejestrować tak szybkiego ruchu, więc przez lata trwały kłótnie o to, jak jest naprawdę. Rozstrzygnięcie przyniósł dopiero pomysł Eadwearda Muybridge’a, który skonstruował system 24 aparatów, których migawki – dzięki systemowi drutów – wyzwalane były przez biegnącego konia. Okazało się, że faktycznie w pewnym momencie koń „leci”, a seria uzyskanych przez Muybridge’a zdjęć po połączeniu w animację wyglądał tak:
I właśnie fragment tej słynnej sekwencji zdjęć naukowcy umieścili w genomie bakterii stosując coraz popularniejszą w biotechnologii metodę CRISPR/Cas. Pozwala ona na bardzo precyzyjne modyfikowanie DNA i wstawianie w nie określonych sekwencji. W ten sposób stopniowo umieszczono zakodowaną animację w żywej bakterii, a następnie pozostawiono organizm na kilka dni w spokoju. Po tym czasie zsekwencjonowano genom potomków pierwszej bakterii i odzyskano z niego zapisaną wcześniej informację. Nienaruszone pozostało 90 proc. zapisanych danych, a na poniższej animacji można porównać wejściowe dane (po lewej) z tymi, które udało się odzyskać (po prawej):
Fot. Seth Shipman
Ale w tytule obiecałem, że to ma jakiś głębszy sens. Poza w oczywisty sposób fascynującym pokazem możliwości biotechnologii chodzi o coś więcej. Otóż wspomniana metoda CRISPR do inżynierii genetycznej trafiła od organizmów prokariotycznych, które wykorzystują ten mechanizm jako coś na kształt systemu immunologicznego. Otóż gdy komórka poradzi sobie np. z wirusem, to CRISPR zapisuje w genomie bakterii fragment wrogiego DNA. Dzięki temu w przyszłości bakteria będzie mogła wykryć i zniszczyć przeciwnika. Co ważne kolejne takie fragmenty zapisywane są w uporządkowany sposób, w kolejności ich pozyskiwania.
I tu właśnie tkwi sedno pomysłu zespołu Setha Shipmana. Jako neurolog jest szczególnie zainteresowany procesami zachodzącymi w mózgu. Niestety to organ wyjątkowo trudny do badania – nie dość, że zamknięty w pancerzu z kości, to jeszcze szczególnie wrażliwy na wszelkie manipulacje. Badacze postanowili zrobić z komórki żywy rejestrator zapisujący procesy zachodzące w mózgu. Chcą, by mechanizm CRISPR zapisywał w DNA np. sekwencję aktywności neuronów, co pozwoliłoby na późniejsze jej wydobycie i odczytanie. Oczywiście nie wykorzystywano by do tego bakterii E. coli, tylko ludzkie, bezpieczne dla organizmu komórki.
Na razie to dopiero koncepcja, ale często to od nich zaczynają się właśnie wielkie przełomy.