Ahli biologi dari Universiti Harvard di Amerika Syarikat mengekod
Edward Muybridge boleh dianggap sebagai pencipta animasi GIF. Dia adalah yang pertama menggunakan kamera untuk mendapatkan rangkaian gambar. Dengan bantuan peranti khas - zoopraxiscope - dia membuat video pendek dan gelung dari mereka. Salah satu karya terkenalnya - tembakan dengan kuda yang berlari - berguna untuk menyelesaikan pertikaian sama ada haiwan itu selalu menyentuh tanah dengan sekurang-kurangnya satu kaki ketika berlari (ternyata ia tidak). Kronofotografi, diciptakan oleh Muybridge, berfungsi sebagai asas untuk sinematografi. Namun, jurugambar hampir tidak membayangkan bahawa gambarnya akan masuk ke dalam DNA mikroba (dan dia tidak tahu mengenai DNA).
Bagaimanakah penyelidik dapat mencapai ini? Sistem CRISPR / Cas9 yang baru ditemui telah memainkan peranan penting. Ini adalah nama mekanisme molekul yang beroperasi di dalam bakteria dan membolehkan mereka melawan virus. CRISPR adalah "kaset" di dalam DNA mikroorganisma, yang terdiri dari bahagian berulang dan urutan unik - spacer - yang merupakan serpihan DNA virus. Maksudnya, CRISPR adalah sejenis pangkalan data dengan maklumat mengenai gen agen patogen. Protein Cas9 menggunakan maklumat ini untuk mengenal pasti DNA asing dengan betul dan menjadikannya tidak berbahaya dengan memotong di lokasi tertentu.
Protospacer sesuai dengan urutan yang pernah "dicuri" dari virus dan menjadi spacer. Para saintis menggunakan mekanisme molekul ini. Spacer mengekod crRNA, yang kemudiannya dilampirkan protein Cas9. Daripada crRNA, anda boleh menggunakan RNA sintetik dengan urutan tertentu - panduan RNA (sgRNA) - dan beritahu gunting di mana membuat para saintis potong inginkan.
Bakteria memperoleh spacer secara semula jadi dengan meminjam protospacer dari virus patogen. Setelah serpihan dimasukkan ke dalam CRISPR, protospacer menjadi tanda yang membolehkan mikroorganisma mengenali jangkitan.
Walau bagaimanapun, CRISPR tidak terhad kepada perkara ini. Ahli bioteknologi mendapati bahawa "kaset" ini dapat merakam maklumat menggunakan protospacer yang telah disintesis. Seperti DNA mana pun, protospacer terdiri daripada nukleotida. Terdapat hanya empat nukleotida - A, T, C dan G, tetapi pelbagai kombinasi mereka dapat menyandikan apa sahaja. Data sedemikian dibaca dengan penjujukan - dengan menentukan urutan nukleotida dalam genom organisma.
Foto E. coli: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Para saintis mula-mula mengkod gambar empat warna dan 21 warna tangan manusia. Dalam kes pertama, setiap warna sesuai dengan salah satu dari empat nukleotida, yang kedua, untuk sekumpulan tiga nukleotida (triplet). Setiap protospacer adalah rentetan dari 28 nukleotida, yang berisi maklumat tentang satu set piksel (piksel). Untuk membezakan protospacer, mereka dilabel dengan empat kod bar nukleotida. Di dalam kod bar, nukleotida dikodkan dua digit (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Jadi, CCCT sesuai dengan 00000001. Penunjukan ini memungkinkan untuk memahami di mana bahagian gambar ini atau piksel piksel tertentu yang berada.
Video promosi:
Imej empat warna tangan terdiri daripada 56x56 piksel. Semua maklumat ini (784 bait) sesuai dengan 112 protospacer. Gambar 21 warna lebih kecil (30x30 piksel), jadi 100 protospacer (494 byte) cukup untuk itu.
Walau bagaimanapun, tidak begitu mudah memasukkan urutan nukleotida ke dalam bakteria, dengan harapan ia akan memasukkannya ke dalam DNAnya sendiri dengan kemungkinan 100%. Oleh itu, gabungan nukleotida dalam kembar tiga tidak dipilih secara rawak, tetapi supaya kandungan G dan C berturut-turut sekurang-kurangnya 50 peratus. Ini meningkatkan kemungkinan bakteria memperoleh spacer.
Foto: Pusat Harry Ransom
Protospacer diperkenalkan ke dalam populasi Escherichia coli melalui elektropori - penciptaan liang pada membran lipid sel bakteria di bawah tindakan medan elektrik. Bakteria mempunyai CRISPR berfungsi dan kompleks enzim Cas1-Cas2, yang memungkinkan untuk membuat spacer baru berdasarkan protospacer.
Mikroorganisma dibiarkan semalaman, dan keesokan harinya, pakar menganalisis urutan nukleotida dalam CRISPR dan membaca nilai piksel. Ketepatan membaca masing-masing mencapai 88 dan 96 peratus untuk tangan empat warna dan 21 warna. Kajian tambahan menunjukkan bahawa pemerolehan spacer yang hampir lengkap berlaku dua jam 40 minit selepas elektropori. Walaupun beberapa bakteria mati setelah prosedur, ini tidak mempengaruhi hasilnya.
Para saintis menyatakan bahawa beberapa spacer jauh lebih biasa pada bakteria daripada yang lain. Ternyata ini dipengaruhi oleh nukleotida yang terletak di hujung protospacer dan membentuk motif (urutan lemah yang berubah-ubah). Motif ini, disebut AAM (pemerolehan mempengaruhi motif), berakhir dengan triplet TGA. Ini digunakan oleh ahli biologi untuk menyandikan animasi dalam bakteria. Lima tembakan 21 warna kuda lari ditangkap oleh jurugambar Amerika Edward Muybridge. Ukurannya 36 x 26 piksel.
Setiap bingkai dikodekan dengan satu set 104 protospacer unik, dan jumlah maklumat mencapai 2.6 kilobyte. Tag nukleotida khas yang memungkinkan untuk membezakan urutan satu bingkai dari urutan bingkai yang lain tidak diberikan. Sebaliknya, populasi bakteria yang berbeza digunakan. Oleh itu, satu organisma belum digunakan sebagai pembawa maklumat.
Para saintis berhasrat untuk memperbaiki pendekatan ini. Walau bagaimanapun, setakat ini makhluk hidup jauh di belakang peranti penyimpanan maklumat yang biasa. Kajian seperti ini terutama bertujuan untuk menjelaskan keupayaan komputasi molekul DNA, yang dapat berguna untuk membuat komputer DNA yang mampu menyelesaikan sejumlah besar masalah secara serentak. Organisme hidup adalah platform yang sesuai untuk penyelidikan saintifik, kerana mereka sudah mengandungi enzim dan bahan lain yang diperlukan untuk pengubahsuaian rantai nukleotida.
Alexander Enikeev
