Ученым впервые удалось записать в ДНК живых клеток видео, а затем воспроизвести его. Как рассказали авторы работы, это стало важной ступенью на пути к технологиям, которые однажды, возможно, позволят считывать информацию, например, о состоянии нейронов в процессе их развития.
«Мы хотим сделать из клеток историков, — объясняет нейробиолог Сет Шипман, докторант Гарвардской медицинской школы в Бостоне. —
Мы представляем себе биологическую систему памяти, которая намного меньше и при этом более гибкая, чем существующие сегодня технологии.
Она сможет отслеживать множество изменений в организме, при этом не причиняя дискомфорта».
О своей разработке ученые рассказали в журнале Nature.
Способность отслеживать последовательные изменения, вроде смены кадров фильма, на молекулярном уровне — ключ к созданию технологии записи с помощью молекулярной инженерии, говорят авторы работы. Клетки должны будут сами записывать определенные события, например экспрессию генов, в собственном геноме. Затем информацию можно будет извлечь, просто секвенировав геном клеток, в которых она находится.
«Эту технологию можно было бы использовать для моделирования заболеваний и даже для их лечения», — поясняет Шипман.
Но сначала ученые должны были показать, что ДНК можно использовать для записи не только генетической, но и любой другой информации. Этому они и посвятили свое исследование, использовав для записи технологию редактирования генома CRISPR-Cas9 — «молекулярных ножниц», позволяющих вырезать из ДНК одни фрагменты и вставлять другие. Для начала они встроили в ДНК бактерии изображение человеческой руки, а затем классическую анимацию из 1870-х годов, изображающую бегущую лошадь.
Ранее исследователи уже показывали, что CRISPR можно использовать для хранения информации в геноме бактерии.
CRISPR — это группа белков и ДНК, играющих у бактерий роль иммунитета.
Когда вирус инфицирует бактерию, CRISPR вырезает фрагмент чужеродной ДНК и сохраняет в геноме бактерии. Столкнувшись с вирусом в следующий раз, бактерия уже сможет его узнать и защититься от него.
«Такая способность CRISPR делает его подходящей системой для записи событий на протяжении определенного периода времени», — объясняет Шипман.
Исследователи поместили в ДНК пять кадров, изображающих лошадь в движении, — по кадру в день. Затем они секвенировали геном бактерии и с точностью в 90% восстановили мультфильм.
Хотя технология может быть использована для разных целей, команда надеется, что удастся применить ее для исследований мозга.
«Мы хотим, чтобы нейроны записывали молекулярную историю мозга, пока тот развивается, — говорит Шипман. — Такая запись позволит нам получать данные из всех клеток мозга сразу без необходимости работать с клетками напрямую и вмешиваться в деятельность мозга для получения генетического материала или белков».
Напомним, что в этом году с помощью CRISPR ученым из Исследовательского института Скриппса в Калифорнии
удалось создать полусинтетическую форму жизни, добавив к На момент окончания исследования, которое заняло три года, бактерия была здорова и способна хранить информацию в новых нуклеотидах. Но считывать ее ученые не могли и собирались решить эту задачу в ходе дальнейших исследований.
Также выяснилось, что редактирование генома не такая уж и безобидная процедура: секвенировав геном двух мышей, вылеченных от слепоты с помощью редактирования генома, и еще одной здоровой и не подвергавшейся этой процедуре, ученые обнаружили, что
ДНК бактерии Escherichia coli дополнительные нуклеотидные основания.
Сами мыши, впрочем, чувствовали себя нормально, проблем со здоровьем ученые у них не обнаружили.