I biologi dell'Università di Harvard negli Stati Uniti hanno codificato la prima
Edward Muybridge può essere considerato il creatore dell'animazione GIF. È stato il primo a utilizzare le telecamere per ottenere una serie di immagini. Con l'aiuto di un dispositivo speciale, uno zoopraxiscopio, ha realizzato brevi video in loop. Una delle sue famose opere - colpi con un cavallo al galoppo - è stata utile per risolvere la disputa se l'animale tocca sempre il suolo con almeno un piede durante il galoppo (si è scoperto che non lo faceva). La cronofotografia, inventata da Muybridge, è servita come base per la cinematografia. Tuttavia, il fotografo difficilmente immaginava che le sue immagini sarebbero entrate nel DNA dei microbi (e non sapeva del DNA).
Come ci sono riusciti i ricercatori? Il sistema CRISPR / Cas9 scoperto relativamente di recente ha svolto un ruolo importante. Questo è il nome del meccanismo molecolare che opera all'interno dei batteri e consente loro di combattere i virus. I CRISPR sono "cassette" all'interno del DNA di un microrganismo, che sono costituite da sezioni ripetute e sequenze uniche - spaziatori - che sono frammenti di DNA virale. Cioè, CRISPR è una sorta di banca dati con informazioni sui geni degli agenti patogeni. La proteina Cas9 utilizza queste informazioni per identificare correttamente il DNA estraneo e renderlo innocuo tagliandolo in una posizione specifica.
Il protospacer corrisponde alla sequenza che una volta era stata "rubata" dal virus e divenne un spaziatore. Gli scienziati stanno usando questo meccanismo molecolare. Lo spaziatore codifica per crRNA, a cui viene quindi attaccata la proteina Cas9. Invece di crRNA, puoi usare un RNA sintetico con una sequenza specifica - RNA guida (sgRNA) - e dire alle forbici dove effettuare il taglio che gli scienziati desiderano.
Il batterio ottiene i distanziatori naturalmente prendendo in prestito i protospacer dai virus patogeni. Una volta che il frammento è stato inserito in CRISPR, il protospacer diventa un segno che consente al microrganismo di riconoscere l'infezione.
Tuttavia, CRISPR non si limita a questo. I biotecnologi hanno scoperto che queste "cassette" possono registrare informazioni utilizzando protospacer pre-sintetizzati. Come ogni DNA, un protospacer è composto da nucleotidi. Ci sono solo quattro nucleotidi: A, T, C e G, ma le loro varie combinazioni possono codificare qualsiasi cosa. Tali dati vengono letti mediante sequenziamento, determinando le sequenze nucleotidiche nel genoma dell'organismo.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Gli scienziati hanno prima codificato un'immagine a quattro colori e 21 colori di una mano umana. Nel primo caso, ogni colore corrispondeva a uno dei quattro nucleotidi, nel secondo, a un gruppo di tre nucleotidi (tripletto). Ciascun protospacer era una stringa di 28 nucleotidi, che conteneva informazioni su un insieme di pixel (pixel). Per distinguere i protospacer, sono stati etichettati con quattro codici a barre nucleotidici. All'interno del codice a barre, il nucleotide codificava due cifre (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Quindi, CCCT corrispondeva a 00000001. Questa designazione permette di capire in quale parte dell'immagine si trova questo o quel pixel di un dato pixel.
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L'immagine a quattro colori della mano era composta da 56x56 pixel. Tutte queste informazioni (784 byte) si inseriscono in 112 protospacer. L'immagine a 21 colori era più piccola (30x30 pixel), quindi 100 protospacer (494 byte) erano sufficienti per questo.
Tuttavia, non è così facile inserire una sequenza nucleotidica in un batterio, aspettandosi che lo inserisca nel proprio DNA con il 100% di probabilità. Pertanto, le combinazioni di nucleotidi in triplette non sono state scelte casualmente, ma in modo che il contenuto totale di G e C in una riga fosse almeno del 50 percento. Ciò ha aumentato le possibilità che i batteri acquisissero il distanziatore.
Foto: Harry Ransom Center
I protospacer sono stati introdotti nella popolazione di Escherichia coli mediante elettroporazione, la creazione di pori nella membrana lipidica delle cellule batteriche sotto l'azione di un campo elettrico. I batteri possedevano CRISPR funzionale e il complesso enzimatico Cas1-Cas2, che ha permesso di creare nuovi distanziatori basati su protospacer.
I microrganismi sono stati lasciati durante la notte e il giorno successivo gli specialisti hanno analizzato le sequenze nucleotidiche in CRISPR e hanno letto il valore dei pixel. La precisione di lettura ha raggiunto rispettivamente l'88 e il 96 percento per le lancette in quattro e 21 colori. Ulteriori studi hanno dimostrato che l'acquisizione quasi completa dei distanziatori è avvenuta due ore e 40 minuti dopo l'elettroporazione. Sebbene alcuni batteri siano morti dopo la procedura, ciò non ha influito sul risultato.
Gli scienziati hanno notato che alcuni spaziatori erano molto più comuni nei batteri rispetto ad altri. Si è scoperto che questo era influenzato dai nucleotidi situati all'estremità del protospacer e che formavano un motivo (sequenza debolmente variabile). Questo motivo, chiamato AAM (motivo che influisce sull'acquisizione), terminava con una tripletta TGA. Questo è stato utilizzato dai biologi per codificare l'animazione nei batteri. Cinque scatti a 21 colori di un cavallo in corsa sono stati catturati dal fotografo americano Edward Muybridge. La loro dimensione è di 36 x 26 pixel.
Ogni fotogramma è stato codificato con un set di 104 protospacer univoci e la quantità di informazioni ha raggiunto i 2,6 kilobyte. Non sono state fornite speciali etichette nucleotidiche che permettessero di distinguere la sequenza di un frame dalla sequenza di un altro. Invece, sono state utilizzate diverse popolazioni di batteri. Pertanto, un singolo organismo non è stato ancora utilizzato come vettore di informazioni.
Gli scienziati intendono migliorare questo approccio. Tuttavia, finora gli esseri viventi sono molto indietro rispetto ai soliti dispositivi di archiviazione delle informazioni. Tali studi sono principalmente volti a chiarire le capacità computazionali delle molecole di DNA, che possono essere utili per creare computer a DNA in grado di risolvere simultaneamente un numero enorme di problemi. Gli organismi viventi sono una comoda piattaforma per la ricerca scientifica, poiché contengono già enzimi e altre sostanze necessarie per la modifica delle catene nucleotidiche.
Alexander Enikeev
