جنرال لواء

يقوم علماء الأحياء بتحميل صورة GIF للخيول الراكضة في الحمض النووي للبكتيريا الحية


قام باحثو جامعة هارفارد مؤخرًا بترميز صورة GIF في الحمض النووي لكائن حي. تم نشر البحث في 12 يوليو من قبل Nature.

GIF المستخرجة من قصاصات الحمض النووي المزروعة في خلايا البكتيريا الحية بجانب الصورة الأصلية. [مصدر الصورة:جامعة هارفارد عبر GIPHY]

هناك مجموعة من الطرق لتخزين الوسائط الرقمية - أقراص USB وبطاقات SD وأقراص DVD - يمكن أن تستمر القائمة لفترة من الوقت. الآن انضم الحمض النووي إلى الرتب.

تتطور حوسبة الحمض النووي بسرعة ويمكن أن تحمل سلسلة Star Wars بأكملها قريبًا ، وجميع الألحان المفضلة ، وكل صورة قطة رأيتها في جهاز صغير غير مرئي بالعين المجردة. يدرك فريق من جامعة هارفارد بقيادة عالم الوراثة جورج تشيرش قدرات التخزين الهائلة للحمض النووي بعد نجاحه في تضمين سلسلة من الصور في الحمض النووي للبكتيريا الحية.

كانت الإطارات الخمسة التي اختارها الباحثون لترميز الحمض النووي واحدة من أقدم التسجيلات التي التقطها المصور البريطاني إيدويرد مويبريدج. تصور سلسلة الصور فرسًا تحمل اسم آني جي وهي تهرول في عام 1887. باعتبارها واحدة من التسجيلات الأولى لحيوان بيولوجي ، فإن الصور المختارة هي وصية ونوع من استمرار لعمل مويبريدج.

يعد النشر الأخير لعمل تشرش وزملائه تقدمًا رائعًا في التسجيل الجزيئي. العمل عبارة عن تحسين لتقنيات تشفير الحمض النووي السابقة التي كانت معطلة للخلية المضيفة.

تسجيلات الحمض النووي السابقة

لبضع سنوات ، طور الباحثون طرقًا باهظة الثمن وتدخلية تحصد الحمض النووي للكائنات الحية لتخزين البيانات الرقمية خارج الخلايا المضيفة. ليس من المستغرب أن تتلف الخلايا أثناء العملية وتموت على الفور بعد الاستخراج.

يقوم باحثو جامعة هارفارد بتغيير طريقة تسجيل البيانات على الحمض النووي من خلال تطوير تقنيات تسمح للخلايا الحية بحمل البيانات وإعادة إنتاجها طوال حياتهم. تتيح التقنية الجديدة للعلماء برمجة الخلايا الحية والاستفادة من المعلومات في أي وقت دون تعطيل دورة حياة الخلية.

ترميز الحمض النووي الحي بالبيانات الرقمية

في عام 2016 ، قام فريق مشترك من معهد Wyss للهندسة المستوحاة بيولوجيًا وكلية الطب بجامعة هارفارد (HMS) بقيادة عالم الوراثة جورج تشيرش ببناء أول مسجل جزيئي يعتمد على نظام CRISPR. مكنت هذه التقنية الباحثين من ترميز البيانات في جينوم البكتيريا الحية - في هذه الحالة ، الإشريكية القولونية.

"بقدر ما كان هذا واعدًا ، لم نكن نعرف ماذا سيحدث عندما حاولنا تتبع حوالي 100 تسلسل في وقت واحد ، أو ما إذا كان سيعمل على الإطلاق. كان هذا أمرًا بالغ الأهمية لأننا نهدف إلى استخدام هذا النظام لتسجيل الأحداث البيولوجية المعقدة كهدفنا النهائي ، "قال سيث شيبمان ، زميل ما بعد الدكتوراه الذي يعمل مع تشيرش والمؤلف الأول للدراسة.

الآن ، بعد مرور عام ، أثبت نفس الباحثين وظيفة نظام كريسبر. يمكّن النهج الجديد الباحثين من تشفير المعلومات المعقدة بالتتابع كصورة متحركة.

كيف تعمل تقنية كريسبر

نظام كريسبر هو أداة قوية يستخدمها العلماء لتعديل الجينوم بدقة. في الطبيعة ، يعمل النظام عن طريق ترميز المعلومات حول الجينومات الفيروسية الغازية (في الأساس تعليمات حقن الفيروسات في تسلسل الحمض النووي لخداع الخلايا لتكرار أجسام فيروسية أخرى). يمكن لبروتينات معينة داخل الجسم التعرف على الشفرة المتطفلة ويمكنها تعديلها عن طريق تقطيع الحمض النووي المصاب واستخراج التعليمات المارقة.

يستخدم الباحثون نفس التقنية للعثور على سلاسل معينة من الحمض النووي وزرعها بخيوط تحتوي على بيانات مبرمجة.

تبدأ العملية بحقن بروتين يعمل كمشرط جزيئي على الحمض النووي. يرتبط البروتين أولاً بتسلسل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي - وهو حمض نووي له الدور الرئيسي في حمل التعليمات لتشفير وفك تشفير جينومات معينة).

يتطابق تسلسل الحمض النووي الريبي المزروع في البروتين مع تسلسل الحمض النووي الذي يهدف الباحثون إلى تعديله. عن طريق إدخاله في البروتين ، يمكنه التعرف على بقعة معينة على طول خيط من الحمض النووي وإلصاقها. من هناك ، بمجرد ربطه بالحمض النووي المستهدف ، يؤدي تفاعل كيميائي إلى تقسيم شريط الحمض النووي. ثم يتم إدخال الحمض النووي المنقسم بفاصل جديد يحتوي على البيانات المشفرة.

في السابق ، تم استخدام هذه التقنية لتحرير تسلسل الحمض النووي التي توفر معلومات الحمض النووي الريبي للتعرف على الجينومات الفيروسية التي تدخلها الفيروسات واستهدافها وتدميرها. بدلاً من التعليمات الخاصة بالبحث عن الجينومات الفيروسية وتدميرها ، قام الباحثون بدلاً من ذلك بزرع المعلومات المشفرة في سلاسل الحمض النووي التي يمكن استردادها لاحقًا كصورة.

صورة توضح خطوات تقنية كريسبر في خلق مناعة ضد الجينوم الفيروسي. تُستخدم نفس الخطوات لتشفير المعلومات داخل خيط DNA عن طريق تقسيم التسلسل وإدخال فاصل مملوء بالبيانات. [مصدر الصورة:جامعة هارفرد]

في العمل المنشور مؤخرًا ، استخدم العلماء نظام المناعة CRISPR لتشفير سلسلة من الصور في خيوط الحمض النووي.

قدم فريق البحث حمضهم النووي المشفر إلى بكتيريا الإشريكية القولونية بسرعة بطيئة مذهلة بمعدل إطار واحد في اليوم على مدى خمسة أيام. نظرًا لأن نظام CRISPR يقوم بإدراج مقتطفات الحمض النووي المشفرة بالتتابع ، من خلال فحص موضع كل قصاصة على طول خيوط الحمض النووي ، يمكن للباحثين تحديد موضع كل بكسل.

"لقد صممنا استراتيجيات تترجم بشكل أساسي المعلومات الرقمية الموجودة في كل بكسل من صورة أو إطار بالإضافة إلى رقم الإطار إلى رمز DNA ، والذي يتم تضمينه في الفواصل مع تسلسلات إضافية. وهكذا يصبح كل إطار مجموعة من الفواصل "، قال شيبمان. ثم قدمنا ​​بعد ذلك مجموعات مباعدة لإطارات متتالية ترتيبًا زمنيًا لمجموعة من البكتيريا التي ، باستخدام نشاط Cas1 / Cas2 ، أضافتها إلى مصفوفات CRISPR في جينوماتها. وبعد استرجاع جميع المصفوفات مرة أخرى من التجمعات البكتيرية عن طريق تسلسل الحمض النووي ، تمكنا أخيرًا من إعادة بناء جميع إطارات فيلم الحصان الراكض والترتيب الذي ظهرت فيه "، كما يقول سيث شيبمان ، زميل ما بعد الدكتوراه الذي ساعد تشيرش في البحث.

يتم تصنيف كل بكسل وترميزه في خيط DNA بالتتابع ، مما يسمح للباحثين باستخراج المعلومات وفك تشفيرها. [مصدر الصورة: جامعة هارفرد]

ترميز مستقبل الإنسانية في الحمض النووي

إنها تقنية معقدة ، على الرغم من أنها تسمح للباحثين باستهداف وإدخال مجموعات من البيانات بدقة داخل الحمض النووي للكائنات الحية ، دون الإضرار بالخلايا في هذه العملية.

"في هذه الدراسة ، أظهرنا أن اثنين من البروتينات في نظام CRISPR ، Cas1 و Cas2 ، اللذان صممناهما في أداة التسجيل الجزيئي ، جنبًا إلى جنب مع الفهم الجديد لمتطلبات التسلسل للفواصل المثلى ، يتيحان إمكانية زيادة كبيرة للحصول على الذكريات وإيداعها في الجينوم كمعلومات يمكن أن يقدمها باحثون من الخارج ، أو يمكن أن تتشكل في المستقبل من التجارب الطبيعية للخلايا ، يشرح تشرتش. واصل،

"إذا تم تسخيره بشكل أكبر ، يمكن أن يقدم هذا النهج طريقة لتوجيه أنواع مختلفة من الخلايا الحية في بيئات الأنسجة الطبيعية الخاصة بها إلى تسجيل التغييرات التكوينية التي تمر بها في نقطة ساخنة للذاكرة تم إنشاؤها صناعيًا في جينوماتها."

يأمل الباحثون في إمكانية استخدام التقنيات كوسيلة للخلايا لتسجيل المعلومات الحيوية حول كيفية عمل الأعضاء وأنظمة الجسم الأخرى.

"في يوم من الأيام ، قد نتمكن من متابعة جميع القرارات التنموية التي تتخذها الخلايا العصبية المميزة من خلية جذعية مبكرة إلى نوع عالي التخصص من الخلايا في الدماغ ، مما يؤدي إلى فهم أفضل لكيفية عمل العمليات البيولوجية والنمائية الأساسية يقول شيبمان.

ربما في المستقبل ، ستساعد هذه الأساليب المهنيين الطبيين على اكتشاف البداية المبكرة للمرض وفهم عمل الجسم الداخلي بشكل أفضل. في الأساس ، إنها طريقة للبشر للتواصل والتفاعل مع جسم الإنسان على المستوى الجزيئي. أو ربما يكون الأمر أكثر غرابة بعض الشيء ، قم ببرمجة الأفلام على جسدك الحي.

لا يزال البحث في مهده ، على الرغم من أنه مجال بحث واعد يُحدث ثورة في كيفية تفاعل الأطباء مع جسم الإنسان.

عبرهارفارد جازيت

راجع أيضًا: مهندس الباحثون بكتيريا E. coli لإنتاج صور Super Mario

بقلم مافريك بيكر


شاهد الفيديو: Spirit 2002 - Spirit Grows Up Scene 110. Movieclips (شهر نوفمبر 2021).