Ahli biologi dari Universitas Harvard di Amerika Serikat menyandikan
Edward Muybridge dapat dianggap sebagai pencipta animasi GIF. Dia adalah orang pertama yang menggunakan kamera untuk mendapatkan serangkaian gambar. Dengan bantuan perangkat khusus - zoopraxiscope - dia membuat video pendek dan melingkar darinya. Salah satu karyanya yang terkenal - tembakan dengan kuda yang berlari kencang - berguna untuk menyelesaikan perselisihan apakah hewan itu selalu menyentuh tanah dengan setidaknya satu kaki selama berpacu (ternyata tidak). Chronophotography, ditemukan oleh Muybridge, berfungsi sebagai dasar sinematografi. Namun, fotografer hampir tidak membayangkan bahwa fotonya akan masuk ke dalam DNA mikroba (dan dia tidak tahu tentang DNA).
Bagaimana para peneliti mencapai ini? Sistem CRISPR / Cas9 yang relatif baru ditemukan telah memainkan peran penting. Ini adalah nama mekanisme molekuler yang bekerja di dalam bakteri dan memungkinkan mereka melawan virus. CRISPR adalah "kaset" di dalam DNA mikroorganisme, yang terdiri dari bagian berulang dan urutan unik - spacer - yang merupakan fragmen DNA virus. Artinya, CRISPR adalah sejenis bank data yang berisi informasi tentang gen agen patogen. Protein Cas9 menggunakan informasi ini untuk mengidentifikasi DNA asing dengan benar dan membuatnya tidak berbahaya dengan memotong di lokasi tertentu.
Protospacer mencocokkan urutan yang pernah "dicuri" dari virus dan menjadi spacer. Ilmuwan menggunakan mekanisme molekuler ini. Spacer mengkodekan crRNA, dimana protein Cas9 kemudian dilampirkan. Alih-alih crRNA, Anda dapat menggunakan RNA sintetis dengan urutan tertentu - RNA pemandu (sgRNA) - dan memberi tahu gunting di mana membuat potongan yang diinginkan para ilmuwan.
Bakteri memperoleh spacer secara alami dengan meminjam protospacer dari virus patogen. Setelah fragmen disisipkan ke CRISPR, protospacer menjadi tanda yang memungkinkan mikroorganisme mengenali infeksi.
Namun, CRISPR tidak terbatas pada ini. Ahli bioteknologi telah menemukan bahwa "kaset" ini dapat merekam informasi menggunakan protospacer yang telah disintesis sebelumnya. Seperti DNA lainnya, protospacer terdiri dari nukleotida. Hanya ada empat nukleotida - A, T, C, dan G, tetapi berbagai kombinasinya dapat menyandikan apa pun. Data tersebut dibaca dengan mengurutkan - dengan menentukan urutan nukleotida dalam genom organisme.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Para ilmuwan pertama kali memberi kode gambar empat warna dan 21 warna dari tangan manusia. Dalam kasus pertama, setiap warna berhubungan dengan salah satu dari empat nukleotida, dalam kasus kedua, dengan sekelompok tiga nukleotida (triplet). Setiap protospacer adalah string 28 nukleotida, yang berisi informasi tentang satu set piksel (piksel). Untuk membedakan protospacer, mereka diberi label dengan empat barcode nukleotida. Di dalam barcode, nukleotida mengkodekan dua digit (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Jadi, CCCT sesuai dengan 00000001. Penunjukan ini memungkinkan untuk memahami di bagian gambar mana piksel tertentu dari piksel tertentu berada.
Video promosi:
Gambar empat warna dari tangan terdiri dari 56x56 piksel. Semua informasi ini (784 byte) cocok dengan 112 protospacers. Gambar 21 warna lebih kecil (30x30 piksel), jadi 100 protospacer (494 byte) sudah cukup untuk itu.
Namun, tidak mudah untuk memasukkan sekuens nukleotida apa pun ke dalam bakteri, berharap ia akan memasukkannya ke dalam DNA-nya sendiri dengan kemungkinan 100%. Oleh karena itu, kombinasi nukleotida pada triplet tidak dipilih secara acak, tetapi kandungan total G dan C dalam satu baris paling sedikit 50 persen. Ini meningkatkan kemungkinan bakteri memperoleh spacer.
Foto: Harry Ransom Center
Protospacer diperkenalkan ke dalam populasi Escherichia coli melalui elektroporasi - pembuatan pori-pori di membran lipid sel bakteri di bawah aksi medan listrik. Bakteri tersebut memiliki CRISPR fungsional dan kompleks enzim Cas1-Cas2, yang memungkinkan untuk membuat spacer baru berdasarkan protospacer.
Mikroorganisme dibiarkan semalaman, dan keesokan harinya, spesialis menganalisis urutan nukleotida di CRISPR dan membaca nilai piksel. Akurasi membaca mencapai 88 dan 96 persen masing-masing untuk jarum empat warna dan 21 warna. Studi tambahan menunjukkan bahwa akuisisi spacer yang hampir lengkap terjadi dua jam dan 40 menit setelah elektroporasi. Meskipun beberapa bakteri mati setelah prosedur, hal ini tidak mempengaruhi hasil.
Para ilmuwan mencatat bahwa beberapa spacer jauh lebih umum pada bakteri daripada yang lain. Ternyata hal ini dipengaruhi oleh nukleotida yang terletak di ujung protospacer dan membentuk motif (urutan variabel yang lemah). Motif ini, disebut AAM (akuisisi yang mempengaruhi motif), diakhiri dengan triplet TGA. Ini digunakan oleh ahli biologi untuk menyandikan animasi pada bakteri. Lima bidikan 21 warna tentang seekor kuda lari ditangkap oleh fotografer Amerika Edward Muybridge. Ukurannya 36 x 26 piksel.
Setiap frame dikodekan dengan 104 protospacer unik, dan jumlah informasinya mencapai 2,6 kilobyte. Label nukleotida khusus yang memungkinkan untuk membedakan urutan satu bingkai dari urutan bingkai lainnya tidak disediakan. Sebaliknya, populasi bakteri yang berbeda digunakan. Dengan demikian, organisme tunggal belum digunakan sebagai pembawa informasi.
Ilmuwan bermaksud untuk meningkatkan pendekatan ini. Namun, sejauh ini makhluk hidup tertinggal jauh dari perangkat penyimpan informasi biasa. Studi semacam itu terutama ditujukan untuk menjelaskan kemampuan komputasi molekul DNA, yang dapat berguna untuk membuat komputer DNA yang mampu memecahkan sejumlah besar masalah secara bersamaan. Organisme hidup adalah platform yang tepat untuk penelitian ilmiah, karena mereka telah mengandung enzim dan zat lain yang diperlukan untuk modifikasi rantai nukleotida.
Alexander Enikeev
