Biólogos de la Universidad de Harvard en Estados Unidos codificaron el primer
Edward Muybridge puede considerarse el creador de la animación GIF. Fue el primero en utilizar cámaras para obtener una serie de imágenes. Con la ayuda de un dispositivo especial, un zoopraxiscopio, hizo videos cortos en bucle con ellos. Una de sus famosas obras, disparos con un caballo al galope, fue útil para resolver la disputa de si el animal siempre toca el suelo con al menos un pie durante el galope (resultó que no). La cronofotografía, inventada por Muybridge, sirvió de base a la cinematografía. Sin embargo, el fotógrafo apenas esperaba que sus imágenes se introdujeran en el ADN de los microbios (y no sabía nada sobre el ADN).
¿Cómo lograron los investigadores esto? El sistema CRISPR / Cas9 descubierto relativamente recientemente ha jugado un papel importante. Este es el nombre del mecanismo molecular que opera dentro de las bacterias y les permite combatir los virus. Los CRISPR son "casetes" dentro del ADN de un microorganismo, que se componen de secciones repetidas y secuencias únicas (espaciadores) que son fragmentos de ADN viral. Es decir, CRISPR es una especie de banco de datos con información sobre los genes de los agentes patógenos. La proteína Cas9 usa esta información para identificar correctamente el ADN extraño y hacerlo inofensivo cortándolo en una ubicación específica.
El protoespaciador coincide con la secuencia que una vez fue "robada" del virus y se convirtió en un espaciador. Los científicos están utilizando este mecanismo molecular. El espaciador codifica el crRNA, al que luego se une la proteína Cas9. En lugar de crRNA, puede utilizar un RNA sintético con una secuencia específica (RNA guía (sgRNA)) y decirle a las tijeras dónde hacer el corte que quieren los científicos.
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La bacteria obtiene espaciadores de forma natural tomando prestados protoespaciadores de virus patógenos. Una vez que el fragmento se ha insertado en CRISPR, el protoespaciador se convierte en un signo que permite al microorganismo reconocer la infección.
Sin embargo, CRISPR no se limita a esto. Los biotecnólogos han descubierto que estos "casetes" pueden registrar información utilizando protoespaciadores pre-sintetizados. Como cualquier ADN, un protoespaciador está compuesto de nucleótidos. Solo hay cuatro nucleótidos: A, T, C y G, pero sus diversas combinaciones pueden codificar cualquier cosa. Estos datos se leen mediante secuenciación: la determinación de secuencias de nucleótidos en el genoma de un organismo.
Foto de E. coli: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Los científicos primero codificaron una imagen de una mano humana en cuatro y 21 colores. En el primer caso, cada color correspondía a uno de los cuatro nucleótidos, en el segundo, a un grupo de tres nucleótidos (triplete). Cada protoespaciador era una cadena de 28 nucleótidos, que contenía información sobre un conjunto de píxeles (píxel). Para distinguir los protoespaciadores, se etiquetaron con códigos de barras de cuatro nucleótidos. Dentro del código de barras, el nucleótido codificaba dos dígitos (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Entonces, CCCT correspondió a 00000001. Esta designación permite comprender en qué parte de la imagen se encuentra un píxel particular de un píxel dado.
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La imagen de cuatro colores de la mano constaba de 56x56 píxeles. Toda esta información (784 bytes) cabe en 112 protoespaciadores. La imagen de 21 colores era más pequeña (30x30 píxeles), por lo que 100 protoespaciadores (494 bytes) fueron suficientes para ella.
Sin embargo, no es tan fácil insertar cualquier secuencia de nucleótidos en una bacteria, esperando que la inserte en su propio ADN con un 100% de probabilidad. Por lo tanto, las combinaciones de nucleótidos en tripletes no se eligieron al azar, sino de modo que el contenido total de G y C seguidos fuera al menos del 50 por ciento. Esto aumentó las posibilidades de que las bacterias adquirieran el espaciador.
Foto: Centro Harry Ransom
Los protoespaciadores se introdujeron en la población de Escherichia coli por electroporación, la creación de poros en la membrana lipídica de las células bacterianas bajo la acción de un campo eléctrico. Las bacterias poseían CRISPR funcional y el complejo enzimático Cas1-Cas2, lo que hizo posible la creación de nuevos espaciadores basados en protoespaciadores.
Los microorganismos se dejaron durante la noche y al día siguiente, los especialistas analizaron las secuencias de nucleótidos en CRISPR y leyeron el valor de los píxeles. La precisión de lectura alcanzó el 88 y el 96 por ciento para las manos de cuatro y 21 colores, respectivamente. Estudios adicionales mostraron que la adquisición casi completa de espaciadores ocurrió dos horas y 40 minutos después de la electroporación. Aunque algunas bacterias murieron después del procedimiento, esto no afectó el resultado.
Los científicos notaron que algunos espaciadores eran mucho más comunes en las bacterias que en otros. Resultó que esto estaba influenciado por nucleótidos ubicados en el extremo del protoespaciador y formando un motivo (una secuencia débilmente variable). Tal motivo, llamado AAM (motivo que afecta a la adquisición), terminaba con un triplete TGA. Esto fue utilizado por los biólogos para codificar la animación en bacterias. El fotógrafo estadounidense Edward Muybridge capturó cinco tomas en 21 colores de un caballo corriendo. Su tamaño es de 36 por 26 píxeles.
Cada cuadro se codificó con un conjunto de 104 protoespaciadores únicos, y la cantidad de información alcanzó los 2,6 kilobytes. No se proporcionaron etiquetas de nucleótidos especiales que permitan distinguir la secuencia de un marco de la secuencia de otro. En cambio, se utilizaron diferentes poblaciones de bacterias. Por tanto, todavía no se ha utilizado un solo organismo como portador de información.
Los científicos tienen la intención de mejorar este enfoque. Sin embargo, hasta ahora los seres vivos están muy por detrás de los dispositivos habituales de almacenamiento de información. Dichos estudios están destinados principalmente a dilucidar las capacidades computacionales de las moléculas de ADN, que pueden ser útiles para crear computadoras de ADN capaces de resolver simultáneamente una gran cantidad de problemas. Los organismos vivos son una plataforma conveniente para la investigación científica, ya que contienen enzimas y otras sustancias necesarias para la modificación de cadenas de nucleótidos.
Alexander Enikeev
