Electricidad և Se utilizó CRISPR para escribir datos en el ADN bacteriano

En los últimos años, los investigadores han utilizado el ADN para codificar todo sistema operativo a: malware«En lugar de ser una curiosidad tecnológica, estos esfuerzos fueron intentos serios de utilizar las propiedades del ADN para el almacenamiento de datos a largo plazo». El ADN puede ser químicamente estable durante cientos de miles de años, և difícilmente perderemos la tecnología para leer lo que no se puede decir sobre cosas como unidades ZIP և discos MO.

Pero hasta ahora, escribir datos en el ADN significaba convertir los datos en una secuencia de bases en una computadora y luego «ordenar» esa secuencia desde un sintetizador químico. Los seres vivos no encajan realmente en la imagen. Pero por separado, un grupo de investigadores descubrió cómo registrar eventos biológicos alterando el ADN de una célula, lo que les permitió leer la historia de las células. Un equipo de la Universidad de Columbia ha descubierto cómo combinar los dos esfuerzos para escribir datos en el ADN utilizando diferencias de voltaje aplicadas a bacterias vivas.

CRISPR և protección de datos

El sistema CRISPR se desarrolló como una forma de editar genes o cortarlos por completo del ADN. Pero el sistema llamó primero la atención de los biólogos cuando introdujo nuevas secuencias en el ADN. Ver todos los detalles nuestra cobertura NobelPero por ahora, solo sepa que parte del sistema CRISPR implica identificar el ADN de los virus, insertando copias de él en el genoma bacteriano para que pueda ser reconocido si el virus reaparece.

El equipo colombiano ha descubierto cómo usarlo para registrar recuerdos en bacterias. Digamos que tiene un proceso que activa genes en respuesta a una determinada sustancia química, como el azúcar. Los investigadores desviaron esto para activar un sistema que hace copias de una hebra circular de ADN llamada plásmido. Cuando el número de copias era alto, activaron el sistema CRISPR. Dadas las circunstancias, es probable que se haya insertado una copia del ADN plasmático en el genoma. Cuando no había azúcar, generalmente contenía algo más.

Con este sistema, fue posible averiguar si las bacterias habían estado expuestas al azúcar antes. Esto no es perfecto, ya que CRISPR no siempre instala nada cuando lo desea, pero funciona en promedio. Entonces, solo tiene que clasificar suficientes bacterias para determinar la secuencia promedio de eventos.

Para adaptar esto al almacenamiento de datos, los investigadores utilizaron dos plásmidos. Uno es el mismo que se describió anteriormente. Disponible en niveles bajos cuando falta una determinada señal, և Disponible en niveles muy altos cuando la señal está presente. El segundo siempre está disponible en niveles moderados. Cuando se activó CRISPR, buscó establecer secuencias que fueran más altas que los niveles plasmáticos, como se muestra en el diagrama a continuación.

Por sí solo, esto solo ahorra un poco. Pero el proceso se puede repetir creando un fragmento de ADN que es una serie de inserciones hechas de plásmidos rojo-azul cuya identidad está determinada por la presencia de una señal.

Prospera en eso

Es un sistema ordenado, pero está lejos de lo que normalmente asociamos con la producción de datos. La lectura o el conteo del sensor rara vez mezclan azúcar o antibióticos con un montón de bacterias. Reaccionar a una señal eléctrica obteniendo bacterias resultó ser relativamente simple. E. coli: es capaz de alterar la actividad genética dependiendo de si se encuentra en un ambiente químico oxidante o reductor. Y los investigadores podrían cambiar el medio ambiente aplicando diferencias de voltaje con bacterias a ciertos químicos en el cultivo.

Más específicamente, la diferencia de voltaje cambiará el estado oxidativo de una sustancia química llamada ferrocianuro. Esto, a su vez, provocó que las bacterias alteren la actividad de los genes. Al diseñar el plásmido para que respondiera a la misma señal que estos genes, los investigadores pudieron controlar los niveles de plásmido utilizando diferentes voltajes. Y luego podrían registrar ese nivel de ese plásmido activando el sistema CRISPR en estas células.

Es bastante fácil ver cómo cada pestaña de la serie puede considerarse cero o una, según la identidad de la pestaña. Pero recuerda que este sistema no es perfecto. De forma bastante regular, CRISPR no instalará nada cuando se active, lo que cambiará todos los bits posteriores. Debido a que este proceso es aleatorio, cuanto mayor sea el número de bits que intente codificar, más probable será que al menos uno de ellos termine.

Para limitar este problema, los investigadores mantuvieron sus datos en tres bits para cada población bacteriana. Incluso entonces, tuvieron que entrenar un algoritmo de aprendizaje controlado para reconstruir la serie de bits más probable en función de las secuencias promedio encontradas en la población. Aun así, poseer uno todavía está fuera del alcance de la persona promedio, el seis por ciento de las veces. Finalmente, decidieron usar el bit de paridad, que era la suma de los dos primeros, para corregir el error, y luego «editaron» muchas poblaciones en paralelo.

Al darle a cada plásmido de población una etiqueta de secuencia única llamada «código de barras», fue posible mezclar muchos de ellos en una población después de codificar bits, enredando todo como resultado de la secuenciación del ADN.

Teniendo todo en su lugar, lo guardaron con éxito y leyeron «Mundo feliz». Incluso pusieron los gérmenes en una olla durante una semana y demostraron que pudieron recuperar el mensaje. (Mantenerlos refrigerados obviamente funciona mejor). Estiman que el mensaje se puede almacenar durante al menos 80 generaciones de bacterias.

Entendamos. Como respaldo, en su forma actual, esto da bastante miedo. Si desea poner algunos datos en el ADN, sería mucho mejor si el ADN se sintetizara químicamente. Pero es intrigante pensar que podemos cambiar de señales eléctricas a ADN alterado, y que puede haber alguna forma de mejorar el sistema.

Naturaleza Biología química, 2021. DOI: 10.1038 / s41589-020-00711-4: (Acerca de los DOI)