Usa l’elettricità e CRISPR per scrivere dati sul DNA batterico

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno utilizzato il DNA per codificare qualsiasi cosa da Sistema operativo per me Malware. Invece di essere una curiosità tecnica, questi sforzi sono stati seri tentativi di sfruttare le proprietà del DNA per memorizzare i dati a lungo termine. Il DNA può rimanere chimicamente stabile per centinaia di migliaia di anni ed è improbabile che perderemo la tecnologia per leggerlo, il che è qualcosa che non si può dire su cose come unità ZIP e unità MO.

Ma finora, scrivere dati nel DNA ha comportato la conversione dei dati in una serie di basi su un computer, e quindi l’organizzazione di quella sequenza da cui agisce un composto chimico – gli organismi non entrano effettivamente nell’immagine. Ma separatamente, un gruppo di ricercatori ha scoperto come registrare eventi biologici modificando il DNA di una cellula, consentendo loro di leggere la storia della cellula. Un gruppo della Columbia University ha ora capito come combinare i ceppi e scrivere i dati nel DNA usando differenze di voltaggio applicate a batteri vivi.

CRISPR e archiviazione dei dati

Il sistema CRISPR è stato sviluppato come un modo per modificare o tagliare completamente i geni dal DNA. Ma il sistema ha catturato i biologi per la prima volta perché ha introdotto nuove sequenze nel DNA. Per tutti i dettagli, vedere Copri il nostro NoblePer ora, tuttavia, è sufficiente sapere che una parte del sistema CRISPR prevede l’identificazione del DNA dai virus e l’inserimento di copie di esso nel genoma batterico per identificarlo se il virus si ripresenta.

Il gruppo in Colombia ha scoperto come usarlo per registrare i ricordi nei batteri. Supponi di avere un processo che attiva i geni in risposta a una sostanza chimica specifica, come lo zucchero. I ricercatori lo hanno anche cambiato per attivare un sistema che crea copie di un pezzo circolare di DNA chiamato plasmide. Una volta che il numero di build è aumentato, hanno attivato il sistema CRISPR. Date le circostanze, era più probabile che una copia del DNA plasmidico fosse stata introdotta nel genoma. Quando lo zucchero non è presente, generalmente entra in qualcos’altro.

Con questo sistema è stato possibile scoprire se i batteri erano stati esposti allo zucchero in passato. Non è perfetto, perché il sistema CRISPR non sempre inserisce qualcosa quando lo desideri, ma funziona nella media. Pertanto, devi solo disporre un numero sufficiente di batteri per conoscere la sequenza media degli eventi.

Per adattarlo alla memorizzazione dei dati, i ricercatori hanno utilizzato due plasmidi. Uno è lo stesso mostrato sopra: è presente a livelli bassi quando un particolare segnale è assente, e presente a livelli molto alti quando il segnale è presente. Il secondo è sempre presente a livelli moderati. Quando CRISPR è attivato, tende a introdurre sequenze del plasmide presente a livelli più alti, come mostrato nel diagramma sottostante.

A sinistra, senza alcuna indicazione, il plasmide rosso è presente a livelli bassi.  Quando CRISPR è attivato, è più probabile che la sequenza del plasmide blu venga introdotta nel genoma.  A destra, quando il segnale è presente, c'è molto plasmide rosso, quindi è più probabile che venga inserito nel genoma.
Ingrandire / A sinistra, senza alcuna indicazione, il plasmide rosso è presente a livelli bassi. Quando CRISPR è attivato, è più probabile che la sequenza del plasmide blu venga introdotta nel genoma. A destra, quando il segnale è presente, c’è molto plasmide rosso, quindi è più probabile che venga inserito nel genoma.

John Timmer

Di per sé, memorizza solo un bit. Ma il processo può essere ripetuto, creando un’estensione del DNA che è una serie di inserimenti derivati ​​da plasmidi rossi e blu, con identificazione determinata dalla presenza o meno del segnale.

Dalle una scossa

È un sistema pulito ma è molto lontano dal tipo di cose che di solito associamo alla produzione di dati: raramente il prodotto di una lettura o di un calcolo del sensore è uno zucchero o un antibiotico mescolato con un gruppo di batteri. Risulta che convincere i batteri a rispondere a un segnale elettrico è relativamente semplice. Coli In grado di modificare l’attività genica a seconda che si trovi in ​​un ambiente chimico ossidante o riducente. E i ricercatori possono alterare l’ambiente applicando differenze di voltaggio a una sostanza chimica specifica nella fattoria con i batteri.

Più specificamente, la potenziale differenza altera lo stato ossidativo di una sostanza chimica chiamata ferrocianuro. Questo, a sua volta, ha indotto i batteri ad alterare l’attività genica. Progettando il plasmide in modo che risponda allo stesso segnale di questi geni, i ricercatori sono stati in grado di controllare i livelli del plasmide applicando un potenziale elettrico diverso. Possono quindi registrare questo livello di questo plasmide attivando il sistema CRISPR in queste cellule.

È molto facile vedere come ciascuna delle voci in una stringa può essere considerata zero o una, a seconda dell’identità dell’estensione. Ma ricorda che questo sistema non è perfetto; Abbastanza regolarmente, la tecnologia CRISPR non immette nulla quando energizzata, il che può spostare tutti i bit successivi. Poiché questo processo è casuale, più lunga è la stringa di bit che stai tentando di codificare, più è probabile che almeno uno di essi venga saltato.

Per ridurre questo problema, i ricercatori hanno mantenuto i loro dati a tre bit per gruppo di batteri. Fino ad allora, hanno dovuto addestrare un algoritmo di apprendimento moderato per ricostruire le stringhe di bit più probabili in base alla media delle sequenze presenti nella popolazione. Anche così, il sistema non è riuscito a riconoscere la stringa di bit circa il sei percento delle volte. Alla fine, hanno deciso di utilizzare il bit di parità che era la somma dei primi due per consentire la correzione degli errori, quindi hanno modificato molti gruppi in parallelo.

(Assegnando a ciascun gruppo un marcatore di sequenza univoco chiamato plasmidi “codice a barre”, è stato possibile mescolarne molti in un gruppo dopo aver codificato i bit e aver continuato a decodificare tutto una volta che il DNA era stato sequenziato).

Con tutto a posto, hanno archiviato e letto “Hello world!” Hanno persino messo i batteri in un terreno coltivato per una settimana e hanno dimostrato di essere in grado di recuperare il messaggio. (Conservarlo nel congelatore ovviamente funziona meglio.) Stimano che il messaggio possa essere conservato per ben 80 generazioni di batteri.

Sia chiaro: come supporto di archiviazione, nella sua forma attuale, questo è piuttosto spaventoso. Se dovessi inserire alcuni dati nel DNA, sarebbe molto meglio se il DNA fosse sintetizzato chimicamente. Ma è interessante pensare che possiamo passare direttamente dai segnali elettrici al DNA alterato, e potrebbero esserci dei modi per migliorare il sistema ora che è costruito.

Biologia della natura chimicaDOI: 2021. 10.1038 / s41589-020-00711-4 (A proposito di DOI).

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Giustina Rizzo

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