از برق و CRISPR برای ثبت داده ها در DNA باکتری استفاده می شود


تصویر رنگی کاذب از باکتری ها

در سال های اخیر ، محققان از DNA برای رمزگذاری همه چیز از سیستم عامل ها گرفته تا بدافزارها استفاده کرده اند. این تلاش ها به جای اینکه یک کنجکاوی فناوری باشد ، تلاش جدی برای استفاده از خواص DNA برای ذخیره سازی طولانی مدت داده ها بود. DNA می تواند صدها هزار سال از نظر شیمیایی پایدار بماند و بعید است که ما فناوری خواندن آن را از دست بدهیم ، چیزی که درباره مواردی مانند درایوهای ZIP و درایوهای MO نمی توانید بگویید.

اما تا کنون ، نوشتن داده ها به DNA شامل تبدیل داده ها به توالی از یک پایگاه داده رایانه ای و سپس سفارش آن توالی از جایی است که یک ترکیب کننده شیمیایی را کنترل می کند – موجودات زنده در واقع وارد تصویر نمی شوند. اما گروه جداگانه ای از محققان کشف کرده اند که چگونه می توان با اصلاح DNA سلول ، وقایع بیولوژیکی را ثبت کرد و به آنها اجازه داد تاریخچه سلول را بخوانند. یک تیم در دانشگاه کلمبیا اکنون فهمیده اند که چگونه با استفاده از اختلاف ولتاژ اعمال شده در باکتری های زنده ، این دو تلاش را ترکیب کرده و داده ها را در DNA ثبت می کنند.

CRISPR و ذخیره اطلاعات

سیستم CRISPR به عنوان روشی برای ویرایش ژن ها یا قطع کامل آنها از DNA ایجاد شد. اما این سیستم ابتدا مورد توجه زیست شناسان قرار گرفت زیرا توالی های جدیدی را در DNA وارد کرد. برای جزئیات کامل به جلد نوبل ما مراجعه کنید ، اما در حال حاضر ، فقط بدانید که بخشی از سیستم CRISPR شامل شناسایی DNA از ویروس ها و قرار دادن نسخه هایی از آن در ژن باکتری است تا در صورت بروز مجدد ویروس ، آن را تشخیص دهد.

این گروه در کلمبیا متوجه شده اند که چگونه می توان از این مورد برای ثبت خاطرات در باکتری ها استفاده کرد. فرض کنید روندی دارید که در واکنش به ماده شیمیایی خاصی مانند قند ، ژن ها را فعال می کند. محققان برای فعال کردن سیستمی که از یک قطعه حلقوی DNA به نام پلاسمید کپی می کند ، آن را رد کردند. پس از بالا بودن شماره کپی ، آنها سیستم CRISPR را فعال کردند. با توجه به شرایط ، به احتمال زیاد یک نسخه از DNA پلاسمید به ژنوم وارد می شود. وقتی شکر وجود ندارد ، معمولاً چیز دیگری را وارد می کند.

با استفاده از این سیستم می توان فهمید که آیا این باکتری در گذشته در معرض قند بوده است یا خیر. این بی عیب و نقص نیست ، زیرا سیستم CRISPR همیشه چیزی را که می خواهید وارد نمی کند ، اما به طور متوسط ​​کار می کند. بنابراین ، شما فقط باید به اندازه کافی باکتری ترتیب دهید تا توالی متوسط ​​وقایع را درک کنید.

محققان برای تطبیق این مورد برای ذخیره اطلاعات ، از دو پلاسمید استفاده کردند. یکی همان است که در بالا توضیح داده شد: وقتی سیگنال خاصی وجود ندارد در سطوح پایین وجود دارد و در صورت وجود سیگنال در سطوح بسیار بالا وجود دارد. مورد دوم همیشه در سطوح متوسط ​​وجود دارد. هنگامی که CRISPR فعال می شود ، تمایل دارد که توالی هایی را از هر پلاسمید موجود در سطوح بالاتر وارد کند ، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است.

در سمت چپ ، بدون هیچ سیگنالی ، پلاسمید قرمز در سطح پایین وجود دارد.  وقتی CRISPR فعال می شود ، توالی پلاسمید آبی به احتمال زیاد به ژنوم وارد می شود.  در سمت راست ، هنگامی که سیگنال وجود دارد ، پلاسمید قرمز بسیار بیشتری وجود دارد و بنابراین احتمال ورود آن به ژنوم بیشتر است.
بزرگنمایی / در سمت چپ ، بدون هیچ سیگنالی ، پلاسمید قرمز در سطح پایین وجود دارد. وقتی CRISPR فعال می شود ، توالی پلاسمید آبی به احتمال زیاد به ژنوم وارد می شود. در سمت راست ، هنگامی که سیگنال وجود دارد ، پلاسمید قرمز بسیار بیشتری وجود دارد و بنابراین احتمال ورود آن به ژنوم بیشتر است.

جان تایمر

این به خودی خود فقط یک بیت را ذخیره می کند. اما این فرایند می تواند تکرار شود و منطقه ای از DNA ایجاد شود که مجموعه ای از درج های حاصل از پلاسمیدهای قرمز و آبی است ، هویت با توجه به وجود یا عدم وجود سیگنال تعیین می شود.

تکان دادن

این یک سیستم تمیز است ، اما به دور از مواردی است که ما معمولاً با تولید داده مرتبط می کنیم – خروجی حسگر برای خواندن یا محاسبه به ندرت قند یا یک آنتی بیوتیک مخلوط با یک دسته باکتری است. دریافت پاسخ باکتری ها به یک سیگنال الکتریکی تقریباً ساده بود. اشرشیاکلی قادر است فعالیت ژن ها را بسته به اینکه در یک محیط شیمیایی اکسید کننده یا کاهش یابد ، تغییر دهد. و محققان می توانند با اعمال اختلاف ولتاژ در یک ماده شیمیایی خاص در کشت باکتریایی ، محیط را تغییر دهند.

به طور خاص ، اختلاف ولتاژ می تواند حالت اکسیداتیو ماده شیمیایی به نام فروسیانید را تغییر دهد. این به نوبه خود باعث می شود که باکتری ها فعالیت ژن ها را تغییر دهند. با مهندسی پلاسمید به گونه ای که به همان سیگنال این ژن ها پاسخ دهد ، محققان توانستند با استفاده از ولتاژهای مختلف سطح پلاسمید را کنترل کنند. و سپس آنها می توانند با فعال کردن سیستم CRISPR در این سلول ها ، این سطح از این پلاسمید را ثبت کنند.

کاملاً آسان است که ببینیم بسته به هویت درج ، چگونه می توان هر یک از درج های یک مجموعه را صفر یا یک در نظر گرفت. اما به یاد داشته باشید که این سیستم کامل نیست. CRISPR کاملاً مرتباً چیزی را وارد نمی کند که فعال شود ، و این همه بیت های بعدی را جابجا می کند. از آنجا که این فرآیند تصادفی است ، هرچه دنباله بیت هایی که می خواهید رمزگذاری کنید طولانی تر باشد ، احتمال اینکه حداقل یکی از آنها رد شود بیشتر است.

برای محدود کردن این مشکل ، محققان داده های خود را تا سه بیت از جمعیت باکتری نگه داشتند. حتی در آن زمان ، آنها مجبور شدند یک الگوریتم یادگیری کنترل شده را آموزش دهند تا محتمل ترین توالی بیت را بر اساس میانگین توالی های موجود در جمعیت بازسازی کنند. و حتی در این صورت ، سیستم نتوانست توالی بیت ها را در حدود شش درصد از زمان تشخیص دهد. سرانجام ، آنها تصمیم گرفتند با استفاده از بیت برابری ، که حاصل جمع دو تای اول بود ، تصحیح خطا را انجام دهند و سپس بسیاری از جمعیت ها را به طور موازی ویرایش کردند.

(با دادن پلاسمیدها به هر جمعیت یک برچسب پی در پی منحصر به فرد به نام بارکد ، می توان بسیاری از آنها را پس از رمزگذاری بیت ها در یک جمعیت مخلوط کرد و هنوز هم پس از توالی DNA DNA همه چیز را از هم جدا کرد.)

با قرار دادن همه چیز در محل ، آنها با موفقیت “سلام ، جهان!” را ذخیره و خواندند. آنها حتی باکتریها را به مدت یک هفته در مقداری خاک قرار دادند و نشان دادند که موفق به بازگرداندن پیام شدند. (بدیهی است که ذخیره آنها در فریزر بهتر عمل می کند.) آنها می گویند این پیام را می توان برای حداقل 80 نسل باکتری حفظ کرد.

بیایید روشن باشیم: به عنوان یک رسانه ذخیره سازی ، به شکل کنونی ، بسیار افتضاح است. اگر می خواهید برخی از داده ها را در DNA وارد کنید ، بهتر است DNA به صورت شیمیایی سنتز شود. اما تصور اینکه می توانیم مستقیماً از سیگنال های الکتریکی به DNA تغییر یافته برویم ، جذاب است و ممکن است برخی از راه های بهبود سیستم اکنون با وجود آن وجود داشته باشد.

زیست شناسی شیمی شیمی، 2021. DOI: 10.1038 / s41589-020-00711-4 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*