Wissenschaftler haben CRISPR verwendet, um ein GIF in der DNA einer lebenden Zelle zu speichern

Eadweard Muybridge war ein Pionier sowohl des frühen Kinos als auch der wissenschaftlichen Beobachtung. Sein ikonischer Clip eines galoppierenden Pferdes wurde berühmt verwendet, um eine Wette darüber abzuschließen, ob das Tier alle vier Hufe vom Boden abhebt, wenn es sich bewegt.

Mehr als 130 Jahre nach diesem Durchbruch steht Muybridge im Zentrum eines weiteren As Wissenschaftler haben diesen ikonischen Film erfolgreich in die DNA lebender Zellen kodiert. Das Ergebnis ist ein sogenanntes organisches GIF und der erste Schritt zu dem, was Forscher als „molekularen Rekorder“ bezeichnen, der in der Lage ist, in lebenden Zellen zu existieren, Informationen zu beobachten und zu erfassen.

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„Wir wollen Zellen zu Historikern machen“, erklärt der Neurowissenschaftler Seth Shipman, Genetiker an der Harvard Medical School. „Wir stellen uns ein biologisches Gedächtnissystem vor, das viel kleiner und vielseitiger als die heutigen Technologien ist und viele Ereignisse im Laufe der Zeit unaufdringlich verfolgen wird.“

Unter Verwendung der Gen-Editing-Technologie CRISPR versuchten von den National Institutes of Health (NIH) finanzierte Wissenschaftler zu beweisen, dass beliebige sequentielle Informationen – nicht nur genetische Informationen – in ein Genom kodiert werden könnten. Sie taten dies zunächst mit einem einzigen Bild, einer menschlichen Hand, und mit Hilfe der Immunabwehr eines Bakteriums. Wissenschaftler haben CRISPR verwendet, um ein GIF in der DNA einer lebenden Zelle zu speichern

(Oben:Links ist ein Bild einer menschlichen Hand, die in Nukleotide kodiert und durch das CRISPR-Cas-Adaptionssystem in lebenden Bakterien eingefangen wurde. Rechts ist das Bild nach mehreren Generationen von Bakterienwachstum, gewonnen durch Sequenzierung von Bakteriengenomen. Credit:Seth Shipman)

Wenn ein Bakterium von einem Virus angegriffen wird, produzieren seine Zellen Enzyme, um den genetischen Code des Virus zu zerschneiden und zu verarbeiten. Es tut dies, um sich an den Eindringling zu erinnern, indem es einen Teil des genetischen Codes des Virus nimmt und ihn seinem eigenen Genom hinzufügt, als würde man Köpfe auf Hechte stecken. Mit der Zeit wächst das Genom der Bakterien, mehr genetischer Code von Viren wird hinzugefügt und mehr Köpfe werden auf den Hecht gestapelt.

Shipman und seine Kollegen haben diesen Prozess mit dem CRISPR-System gehackt. CRISPR-Cas9 ist das Protein im Immunsystem der Bakterien, das den genetischen Code des Virus schneidet, während Cas1 und Cas2 die Proteine sind, die die virale DNA in das Genom einfügen. Entscheidend ist, dass diese Proteine die DNA in der Reihenfolge hinzufügen, in der sie angetroffen wird, was bedeutet, dass die Wissenschaftler die E.Coli-DNA mit synthetischen DNA-Strängen füttern könnten, die speziell mit sequentiellen Informationen entworfen wurden – die dann dekodiert und in ein Bild oder eine Reihe von Einzelbildern umgewandelt werden können in einer Animation. Weitere Informationen finden Sie in unserer vollständigen Erklärung zu CRISPR. Wissenschaftler haben CRISPR verwendet, um ein GIF in der DNA einer lebenden Zelle zu speichern

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Während es beeindruckend ist, einen Kurzfilm in DNA zu codieren, planen die Wissenschaftler nicht, eine Art Netflix-App auf Zellebene zu erstellen. Der Muybridge-Clip soll den Umfang des CRISPR-Systems zeigen, um lebende Zellen in Aufzeichnungsgeräte zu verwandeln, Informationen aus ihrer Umgebung zu ziehen und eine sequentielle Aufzeichnung in ihrem Genom zu führen. Dies könnte für alles Mögliche verwendet werden, von der Modellierung von Krankheiten bis zur Überwachung des Schadstoffgehalts im Boden.

Eine besonders spannende Anwendung ist die Neurologie. Shipman ist Neurologe und glaubt, dass die Technologie eine wichtige Rolle dabei spielen könnte, wie Forscher die Geheimnisse des Gehirns entschlüsseln – indem sie die Gehirnaktivität und -entwicklung aus dem Inneren des Gehirns aufzeichnen. Während Muybridges filmische Techniken es Menschen ermöglichten, das zu sehen, was für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar war, konnten uns „molekulare Rekorder“ auch einen Einblick in das geben, was bisher verborgen war.

"Wir wollen Neuronen verwenden, um eine molekulare Geschichte des Gehirns während der Entwicklung aufzuzeichnen", sagte Shipman. „Ein solcher molekularer Rekorder wird es uns ermöglichen, Daten von jeder Zelle im Gehirn gleichzeitig zu sammeln, ohne dass wir uns Zugang verschaffen, die Zellen direkt beobachten oder das System stören müssen, um genetisches Material oder Proteine zu extrahieren.“

Während das Muybridge-GIF das erste Mal ist, dass ein Film in der DNA lebender Zellen kodiert wurde, haben andere Wissenschaftler bereits genetische Schaltkreise wie organische ZIP-Dateien behandelt. Im März veröffentlichten zwei Forscher des New York Genome Center einen Bericht in der Science Zeitschrift, in der Methoden zum Speichern komprimierter Dateien in DNA-Molekülen beschrieben werden.

Mit Hilfe eines Algorithmus zur Übersetzung der Dateien in einen Binärcode, der auf die Nukleotidbasen der DNA abgebildet werden kann, konnten die Forscher die insgesamt sechs Dateien kodieren:eine wissenschaftliche Arbeit von 1948, eine Pioneer-Plakette, ein Betriebssystem, a Virus, der Film L'Arrivée d'un train en gare de La Ciotat von 1895 …und einen Amazon-Geschenkgutschein im Wert von 50 $.