Forskere Kode en Animeret GIF I DNA

Billede: Seth Shipman

Hvad er en streng af DNA, men data? Vi tænker ofte på sine enheder, As, Cs, Ts, og Gs, som bogstaver i ordene i en brugsanvisning. Men hvad hvis vi i stedet tænke på dem som biologisk computer bits, gemme den mindste enhed af information? Hvad stopper forskere fra at udnytte kraften i disse enheder, ved hjælp af den nyeste biologiske teknologi til at behandle DNA som en skrivbar disk?

Et team af biologer, der fik glæde af den bakterielle defense mekanisme, som genet redigering af system CRISPR er baseret på at skrive en animeret GIF, pixel for pixel, i en population af bakterier. Men deres formål er ikke at skabe biologiske Dvd ‘ er. I stedet, de håber en dag at bruge denne teknologi som en slags biologisk optageren til at holde styr på celler eller ændringer i miljøet.

“Vi brugte billeder i film for at vise effekt af det system, som vi vil bruge til at fange alle former for biologiske aktivitet i DNA,” undersøgelsens første forfatter, Seth Shipman fra Harvard Medical School fortalte Gizmodo. “Ideen er at skabe molekylær-optagere, at funktionen i celler til at fange ting i cellen eller celle miljø …. så at en eksperimentator, ikke er nødt til at gå ind og afbryde systemet til at indsamle data.”

Bakterierne, som allerede bruger “Cas” proteiner, der er forbundet med CRISPR at få fat i stykker af DNA fra virus og indsætte det i deres genomer som en forsvarsmekanisme mod fremtidige angreb. Forskerne benyttede sig af den omstændighed, at de proteiner, der altid indsætte nye genetiske materiale opstrøms fra den gamle genetiske materiale. “Du ender med en bogstavelig, fysisk registrering af, hvilke sekvenser, der er blevet sat i der, i hvad orden,” sagde Shipman. “Den faktiske timing oplysninger, der er udført i den rækkefølge, som er de sekvenser af det genom, som du læser det.” Så de lavede film for at vise DNA som en “fremragende medie til arkivering af data” i henhold til det papir, der er offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature.

Forskerne først testet lagring af et billede på en side ved hjælp af DNA ved at konvertere farve og pixel informationer i sæt af basepar, dem, Som, Ts, Cs, og Gs. Det er lidt ligesom den måde, at de gener, der koder for dannelse af proteiner i DNA, men i denne brugerdefinerede af DNA, som de byggede, A, C, T, G sekvenser svarer til stregkoder, der bestemmer, hvilke pixels skal tage på, hvilken farve. Derefter, de indført deres egne sekvenser i en population af E. coli bakterier, der skaber midlertidige porer i cellernes membraner med elektriske impulser. Den oversatte data, der træder ind i de bakterier, der integrerer det i deres genom ved hjælp af deres Cas-proteiner. Holdet så vokser den bakterielle befolkning, som de derefter sekvens, læsning DNA, og oversætte, genskabe billedet.

Indkodning af et GIF til de bakterier, der var en mere kompliceret proces, selv om de bakterier, der gemmer data i kronologisk rækkefølge, GIF oplysninger bliver spredt blandt masser af celler. Forskerne kan kun gendanne oplysninger om bestilling af billeder fra enkelt-celler, ifølge papiret. Det betyder, at genskabe filmens kræves for at sammenligne DNA fra mange forskellige celler. Her er GIF, før indsættelse i bakterier og genopbygning.

Der er begrænsninger, der kommer sideløbende arbejder med en levende data storage system, sagde Shipman. Forskerne forsøger at trække en masse oplysninger ud af disse celler, der kan føre til døde pixels eller fejl—de kunne reproducere GIF med 90% nøjagtighed, ikke perfekt. Desuden, på grund af deres metoder, jo flere celler, at de har læst tilbage, jo mere præcis deres GIF var; de havde brug for til at komme op med et fornuftigt sted at stoppe. Her er, hvordan hånden genopbygning fik det bedre over tid:

Andre forskere, jeg talte med, fandt det interessant forskning. “De beskrevne metoder er ikke nye, men det er en super-cool program,” forsker Christopher Voigt fra MIT fortalte Gizmodo i en e-mail. Han har for nylig udviklet bakterier til at gøre farvede billeder. “Her, forfattere bruge low-cost DNA-syntese og genom-redigering redskaber til at lægge information fra billeder og film i genomet i en levende celle. Hver gang cellen replika, en ny kopi er lavet. Sætter en ny spin på piratkopieret materiale!”

Shipman håber at kunne bruge denne metode i biologiske programmer—for eksempel, bruge bakterier til at fornemme tungmetaller i miljøet, og holde en DNA – registrering af de forurenende stoffer over tid.

Men forestil dig, hvor mange bakterier som det ville tage at genskabe, siger, Smitte.