В бактерии записали кино и посмотрели его

Ученые из Гарвардского университета сумели записать кино в бактериальный геном. Используя систему иммунной защиты кишечной палочки CRISPR-Cas, они закодировали последовательность пикселей разных оттенков, вместе составляющих несколько кадров фильма с бегущей лошадью, в геномы бактерий, и затем с помощью секвенирования «проиграли» эти кадры. Работа представлена в Nature Letter.

Система CRISPR-Cas нужна бактериям, чтобы защищаться от вирусов. Встраивая небольшие фрагменты ДНК вирусов в собственный геном, они таким образом запоминают их, и затем могут их распознать и разрезать с помощью специальных ферментов, обороняясь от вирусной атаки. При этом новые фрагменты («спейсеры») встраиваются в кассету CRISPR в строго очередной последовательности, так что по ее структуре потом можно отследить временной ход событий.

Ученые встраивали в геномы кишечных палочек 33-нуклеотидные последовательности ДНК (олигонуклеотиды), каждый из которых кодировал определенный оттенок будущего «пикселя», а также имел баркод, определяющий его координату на будущем кадре. «Разрешение» кадра составляло 36 на 26 пикселей. Вначале ученые работали с одним кадром - изображением руки.

В качестве кадров фильма были взяты пять фотографий Эдварда Мейбриджа, который в некотором роде считается прародителем современного кино, хотя его работы на двадцать лет предшествуют первым настоящим киносъемкам. Он снимал лошадей, используя множество фотоаппаратов одновременно, создав таким образом технику хронофотографии. В частности, он разрешил спор по поводу того, что происходит с ногами галопирующей лошади — отрываются они все разом от земли в какой-то миг или нет (съемки, в ходе которых бегущие лошади ногами дергали за нити, связанные с затворами разных фотоаппаратов, показали-таки, что да, такой миг имеется). Ученые выбрали знаменитые фотографии лошади по кличке Энни Джи, которые были сняты в 1887 году.

Один кадр фильма «скармливался» бактериям в течение одного дня, в итоге подготовительная работа заняла пять дней. Бактериальные ферменты, интегразы Cas1-Cas2, встраивали найденные ими олигонуклеотиды в кассеты CRISPR. После этого кассеты всех участников секвенировали, и получили задуманный изначально код фильма. В этом коде позиция и степень окраски каждого пикселя были отображены в строгом порядке, соответствующем пяти кадрам. После этого кадры анимировали и фильм «проиграли» на компьютере, воссоздав изображение с высокой степенью точности.

Выяснилось, что эффективность встраивания олигонуклеотида (и, соответственно, правильную окраску и позицию соответствующих пикселей) повышали такие параметры, как содержание пиримидинов (GC-контент), отсутствие внутренних мотивов, похожих на PAM (protospacer adjacent motif — мотивов, окружающих будущий спейсер, которые повышают эффективность его встраивания в CRISPR) и малое число внутренних однонуклеотидных повторов. Ученые подчеркивают, что понимание механизмов работы иммунной системы CRISPR важно не только в контексте записи кино, но и в рамках методик геномного редактирования и других связанных с CRISPR технологий.

Это не первый раз, когда ученые помещают информацию, не имеющую отношения к биологическим системам, внутрь геномов — так, в ДНК уже записывали книги, операционные системы и клипы в высоком разрешении, причем в последовательность нуклеиновой кислоты удавалось умещать до 200 мегабайт данных. В данном проекте примечательно, что работа шла с живыми организмами, которые умеют сохранять хронологический порядок искусственных записей, а кроме того, являются гораздо более надежным "сейфом" для их хранения, чем неживые биомолекулы. В дальнейшем ученые надеются научиться применять подобные методики к клеткам млекопитающих, в частности, для лучшей их идентификации и отслеживания хода их работы. Мечтой Сета Шипмана, руководителя проекта, является такого рода работа с нейронами человека.

Анна Казнадзей