Биологи превратили ДНК бактерий в "флешку" и записали туда видеоролик⁠⁠

Биологи из Гарварда превратили ДНК обычной кишечной палочки в "перезаписываемый" цифровой носитель информации и записали на неё один из первых видеороликов в истории человечества, снятый в 1878 году, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Мы показали, что два белка системы CRISPR, Cas1 и Cas2, которые мы модифицировали специально для этой цели, можно использовать для получения информации из внешней среды, её каталогизации и записи в геном. Пока эту информацию микробам поставляют учёные, а в будущем бактерии смогут записывать свои собственные "впечатления" в эту молекулярную память", — заявил Джордж Черч (George Church), генетик из Гарвардского университета (США).

Память предков

Молекулы ДНК представляют собой надежное устройство по хранению информации, хорошо защищённое от ошибок чтения и записи. Учёные пытаются приспособить их для хранения произвольных данных с 1988 года, когда американским биоинформатикам впервые удалось записать 7,9 килобайт информации на молекулу ДНК и прочитать её.

К примеру пять лет назад биологи из Гарварда впервые "распечатали" книгу на молекулах ДНК и прочитали её при помощи обычного секвенатора генома, а год назад учёные из университета Вашингтона научились записывать изображения в нити генетического кода и считывать их, достигнув рекордно высокой плотности записи информации.

Все эти подходы, как рассказывает Черч, обладают одним общим недостатком — в них применяются "голые" молекулы ДНК, сохраняющие стабильность и "читабельность" только внутри пробирок и лабораторий. Кроме того, все они фактически являются "одноразовыми" – их можно записать и прочитать лишь один раз, что не позволяет использовать подобные системы "генетической памяти" как полноценную замену современным жёстким дискам, "флешкам" и другим цифровым носителям информации.

Фотография руки (слева), записанная и считанная с ДНК (справа)

По этой причине команда Черча избрала принципиально иной подход к созданию системы записи и чтения генетической информации, фактически воспользовавшись уже почти готовой её версией, которую природа создавала на протяжении последних четырёхсот миллионов лет.

Речь идёт о своеобразном бактериальном "антивирусе", системе CRISPR/Cas, помогающей микробам опознавать ДНК вирусов в своем геноме, удалять их или уничтожать себя при обнаружении инфекции.

Чудеса в библиотеке

Её ключевой частью является своеобразная "библиотека" обрывков вирусного кода, которые записываются в особую часть ДНК микроба при помощи белков Cas1 и Cas2, и потом используются для опознания патогенов. Эти белки и "библиотеку", как предположил Черч, можно перепрофилировать и на работу с цифровой информацией.

Решение этой задачи упрощается тем, что бактерии хранят обрывки вирусной ДНК в виде 33-"буквенных" последовательностей, разделённых особыми повторами, что существенно упрощает запись и декодирование информации. В добавок к этому, каждая "буква" ДНК может кодировать сразу четыре значения или даже 21 значение, если считывать их тройками, что повышает плотность записи информации.

Руководствуясь этими идеями, Черч и его команда создали специальную программу, которая конвертирует изображения или кадры видеороликов в наборы "букв"-нуклеотидов и собирает короткие последовательности ДНК, которые система CRISPR/Cas может интегрировать в геном микроба, автоматически записывая их при этом в правильном порядке.

Работу этой программы биологи проверили на чёрно-белой фотографии руки размерами в 56 на 56 пикселей и на коротком видеоролике со скачущей лошадью с разрешением в 36 на 26 пикселей, который был снят в 1878 году Эдвардом Мэйбриджем, пионером фото- и видеосъемки.

Записав их в ДНК-"память" обычной кишечной палочки, биологи позволили микробам "отдохнуть" и попытались считать информацию, расшифровав геномы нескольких отдельных клеток. И фотография, и видеоролик были восстановлены с более чем 90% точностью, что подтвердило, что хранить информацию в библиотеке CRISPR/Cas действительно можно.

Сейчас Черч и его коллеги работают над оптимизацией методик записи информации и думают над созданием систем "автоматической" записи в эту память тех событий, которые происходят внутри микроба или любой другой клетки. Это, как заключают биологи, заметно ускорило изучение того, как стволовые клетки зародыша превращаются в разные ткани мозга или в любые другие сложные органы.