iPon Cikkek

Baktériumkolóniák lehetnek a jövő adattárolói

Dátum | 2017. 07. 15.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

1872-ben Eadweard Muybridge fotósorozaton rögzítette egy futó ló és lovasa mozgását. A képek segítettek megválaszolni a kérdést, hogy futás közben van-e olyan pillanat, amikor az állatnak egyik lába sem éri el a földet. (A válasz igen, van.) A felvételek ezen kívül az első mozgófilmhez is alapul szolgáltak, Muybridge ugyanis az általa szabadalmaztatott zoopraksziszkóp segítségével animálta is a képeket. Most, 145 évvel később, egy egészen új médiumon, baktériumok genomjában rögzítették ugyanezeket a képeket. Seth Shipman, a Harvard orvosi karának kutatója és kollégái a képsor animált verzióját gif formátumban kódolták bele élő mikrobákba a CRISPR nevű rendszer révén. A CRISPR elsősorban a CRISPR/Cas9 génszerkesztési eljárásból lehet ismerős, amely egy ősi bakteriális védekező mechanizmuson alapul. Ennek révén ki lehet vágni egy darabot a DNS-ből, majd oda egy másik szekvenciát beültetni. A módszerrel kijavíthatók a problémákat okozó mutációk, de akár információ is rögzíthető segítségével, ahogy azt Shipman is megtette, aki gyakorlatilag élő merevlemezekké változtatva a mikrobákat.
Ez utóbbi felhasználás a CRISPR gyökereire megy vissza. A baktériumok évmilliárdokkal ezelőtt úgy kezdtek védekezni a vírusok ellen, hogy megragadták azok genetikai állományának egy darabját, majd azt eltárolták saját genomjukban. A vírus-DNS mindig ugyanarra a helyre került, és ha a baktérium új ellenséggel találkozott, a következő szekvenciát az előző mellé helyezte el, mintha egy könyvespolcra pakolná a köteteket. Amikor egy már eltárolt vírus újra megtámadta a mikrobát, az az archívum alapján felismerte azt, és a Cas9 nevű enzim segítségével darabokra vagdalta a betolakodó genomját. A CRISPR, amely az említett vírus-DNS-eket tartalmazó rész neve a bakteriális genomban, tehát elsősorban egy genetikai archívum, egy információtároló rendszer. És mint Shipman és kollégái révén kiderült, ennek az itt tárolt információnak nem feltétlenül kell a vírusokra vonatkoznia. A bináris kódot bázisokká átfordítva gyakorlatilag bármilyen digitális fájl beleírható a DNS-be. Shipman és társai pontosan ezt tették, egy képet és egy rövid képsort rögzítve egy baktériumkolónia genetikai állományában. A képsor egy 5 kockából álló gif volt Muybridge lováról. „Ez volt a mozgókép egyik első példája, amelynek elemeit a korban nagyon újnak számító technológiával rögzítették, ráadásul fontos kérdéseket is válaszolt meg” – mondja Shipman. A kép pedig egy emberi kéz fekete-fehér fotója volt, amellyel a legkorábbi emberi műalkotásokra, a barlangfalakon fennmaradt kéznyomokra kívántak visszautalni a szakértők. Akik ezekkel a fontos felvételekkel most nagyon másfajta nyomot hagytak a természetben, mint eddig bárki.
Az információ DNS-be kódolása nem új gyakorlat, hiszen ezt az élet hajnala óta minden élőlény műveli. Ugyanennek mesterséges formáját is gyakorolják egy ideje a kutatók, akik pár éve rájöttek, hogy a DNS tökéletes adathordozó. Nagyon kis helyen, rengeteg adatot lehet benne eltárolni, és megfelelő körülmények közt tartva sokáig épen marad. Továbbá szemben az adathordozók többségével, a DNS vélhetően sosem válik elavulttá, hiszen amíg ez az élet alapja, a szakértőknek fontos lesz, hogy tudják olvasni ezt a médiumot. 2011-ben George Church, Shipman témavezetője egy egész könyvet, néhány képet és egy JavaScript-programot kódolt DNS-be. Egy évvel később két brit kutató egy kicsit más módszerrel Shakespeare összes szonettjével, Martin Luther King híres beszédének felvételével, valamint James Watson és Francis Crick a DNS szerkezetét leíró tanulmányával tették meg ugyanezt. Nem sokkal ezelőtt pedig Yaniv Erlich és Dina Zielinski tárolt el DNS formájában egy némafilmet, egy operációs rendszert, egy fotót, egy tanulmányt, egy számítógépes vírust és egy Amazon-ajándékkártyát. Az összes említett projekt során meztelen, kémcsövekben lebegő DNS-szálakat használtak a szakértők. Voltak azonban olyan kutatócsoportok is, amelyek tagjai élő sejtek genetikai állományába írtak információkat. 1999-ben például Eduardo Kac a Teremtés könyvének egy mondatát rögzítette egy mikroba genomjában. 2003-ban Pak Chung Wong az It’s a Small World című szám szövegét kódolta bele különböző baktériumok DNS-ébe, míg egy másik szakértő Einstein híres egyenletével tett ugyanígy 2007-ben.
2010-ben Craig Venter és csapata egy olyan baktériumot hozott létre, amelynek génállományát teljes egészében a laborban rakták össze, és a működéshez szükséges részeken felül a genomba beleírták saját nevüket, és James Joyce következő mondatát is: „Élni, hibázni, bukni, győzni, az életet az életből formálni!” (Amit az író örökösei utólag erősen sérelmeztek is.) Shipmanék projektje ez utóbbi irányvonalat erősíti, de új módon történt az adatok archiválása. A szakértők a kéz képének DNS-kódra fordításával kezdték, amelynek során különböző bázissorokkal kódolták minden egyes pixel színét. Ezeket a szekvenciákat aztán rövid szakaszokká rakták össze, amelyeket úgy címkéztek fel, hogy hasonlítsanak a vírus-DNS darabjaira, amelyeket a CRISPR-rendszer magától begyűjt. A szakaszokat aztán kólibaktériumokba juttatták be, majd kicsivel később szekvenálták ezek genomjának azon részét, ahová a mikrobák begyűjtik a vírus-DNS-t, vagyis a CRISPR-et. Majd dekódolták ennek tartalmát, és megkapták az eredeti képet.
A lovas gif archiválása ennél egy fokkal nehezebb kihívás volt, nemcsak az egyes képkockákat kellett ugyanis kódolni, hanem azok sorrendjét is. A CRISPR azonban ezt is megkönnyítette, a rendszer ugyanis az új vírusinformációkat mindig a régiek után helyezi el az archívumban, vagyis azok időrendi sorrendben követik egymást. Ezt a szakértők ki is aknázták: egyesével, időrendben „etették meg” a kódolt képkockákat a baktériumokkal, majd amikor szekvenálták és dekódolták azok genomjának megfelelő részét, megkapták a teljes képsort, amelyen a ló visszafelé futott. „Meg akartuk mutatni, hogy egyáltalán nincs szükség időzítési információkra” – mondja Shipman. Amikor a csapat hagyta tovább gyarapodni a baktériumokat, azok genomjában egy hét és sok-sok generáció elteltével is tökéletes minőségben őrződtek meg az adatok. „Ezek a szekvenciák semmit sem csinálnak, így valószínűleg nem sok energiába kerül a megtartásuk sem” – mondja a kutatás vezetője. És mivel az adatok szét vannak szórva a kolónia tagjai közt, vagyis egyik sejtben sincs meg a teljes kezes kép vagy a lovas gif minden eleme, attól sem kell félni, hogy a baktériumokban túl sok haszontalan DNS halmozódik fel. „Ez egy gyönyörű példa egy lehetséges élő adattárolóra” – mondja Dina Zielinski, aki jelenleg a párizsi Curie Intézet kutatója. Hagyományosan a DNS, amelybe az adatokat belekódoljuk, végleges: ha az információkat rögzítettük, azokat másolni lehet és olvasni. Shipmanék élő rendszerébe azonban mindig újabb információk írhatók bele, egy sokkal dinamikusabb adattárolási módszert téve lehetővé, magyarázza a szakértő.
Hogy az új eredmény és módszer mire lesz használható, a szakértőknek azzal kapcsolatban is vannak ötleteik. A kutatócsoporton kívüli tudósok például elképzelhetőnek tartják, hogy valamiféle újfajta, titkos kommunikációs rendszer valósulhat meg a mikrobák révén, amelyek így például a hírszerzésben lehetnének használhatók. Vagy beleírhatunk bármilyen megőrzésre szánt információt a telepekbe, majd azokat lefagyaszthatjuk a sarkvidékeken, hogy az adatok fennmaradjanak az utókornak. Shipman és kollégái azonban másban gondolkodnak, sem filmeket, sem a Wikipédiát nem akarják a bakteriális genomokba beleírni. Ehelyett például az idegkutatóknak segítenének, akik számára komoly gondot okoz az agy fejlődésének vizsgálata során, hogy melyik gén mikor és hol aktiválódik. Ezeket az eseményeket nagy nehéz rekonstruálni, mert ha vizsgálni kezdik a rendszert, rögtön meg is zavarják annak működését. Ha viszont ezeket az információkat valamilyen módon a CRISPR-rendszer segítségével menet közben bele lehetne kódolni az élő sejtekbe, utólag könnyen fel lehetne göngyölíteni a folyamat lépéseit, mondja Shipman. A következő nagy cél tehát az lenne, hogy a sejteket élő adatrögzítőkké változtassák. És azok nemcsak az agyban, hanem a test többi részén, a testen kívül és más élőlényekben is gyűjthetnének információkat. Mondjuk nyomon követhetnék egy tóban a szennyező anyagok szintjének alakulását, vagy rögzíthetnék a mikrobák élete során a gének aktivitási mintázatát. Ennek megvalósításához ugyanakkor még rengeteg munkára van szükség, és persze először azt is meg kell mutatni, hogy a sejtek néhány képnél több információ hosszabb távú tárolására is alkalmasak.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

1. gabushi
2017.07.18. 12:22
hmm... kicsit távoli, de akkor majd lehet "fejleszteni" olyan vírust ami az emberi agyba is tud emlékeket ültetni...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!