Создан микроб-"шпион", записывающий информацию в ДНК

Биологи из США превратили обычную кишечную палочку в неуязвимого и невидимого "супершпиона", научив ее записывать информацию о происходящих вокруг нее событиях в ее собственную ДНК и сохранять ее при передаче потомкам. 

"Пока наши микробы могут одновременно записывать сразу три сигнала разных типов на протяжении многих дней. Сейчас мы размышляем над тем, что подобным образом можно наблюдать и за биомаркерами, которые присутствуют в организме больных или здоровых людей", — рассказывает Харрис Ванг (Harris Wang) из университета Колумбии в Нью-Йорке (США).

Молекулы ДНК представляют собой надежное устройство по хранению информации, хорошо защищенное от ошибок чтения и записи. Ученые пытаются приспособить их для хранения произвольных данных с 1988 года, когда американским биоинформатикам впервые удалось записать 7,9 килобайт информации на молекулу ДНК и прочитать ее.

К примеру, пять лет назад биологи из Гарварда впервые "распечатали" книгу на молекулах ДНК и прочитали ее при помощи обычного секвенатора генома, а год назад ученые из университета Вашингтона научились записывать изображения в нити генетического кода и считывать их, достигнув рекордно высокой плотности записи информации.

Все эти подходы обладают одним общим недостатком — в них применяются "голые" молекулы ДНК, сохраняющие стабильность и "читабельность" только внутри пробирок и лабораторий. Кроме того, все они фактически являются "одноразовыми" – их можно записать и прочитать лишь один раз, что не позволяет использовать подобные системы "генетической памяти" как полноценную замену современным носителям информации.

В прошлом году известный молекулярный биолог Джордж Черч ликвидировал эту проблему, приспособив бактериальный "антивирус", систему CRISPR/Cas, для последовательной записи информации в ДНК микробов, превратив ее в своеобразную "флешку".

Ванг и его коллеги совершили следующий логический шаг – они поменяли работу CRISPR/Cas таким образом, что эта система начала сама реагировать на сигналы, поступающие из внешней среды, и записывать информацию о том, когда и как они начали воздействовать на микроба.

Для этого ученые вставили внутрь обычной кишечной палочки две дополнительных нити ДНК, скрученные в кольцо. В одной из них содержался сам геномный редактор, а во второй – особая последовательность генетических "букв"-нуклеотидов, заставлявшая это кольцо ДНК копировать само себя.

Как рассказывает Ванг, CRISPR/Cas был модифицирован таким образом, что он начинал вставлять новые фрагменты ДНК в геном микроба не при появлении новых вирусов, а через строго отмеренные промежутки времени. 

При отсутствии внешних сигналов в "антивирусную библиотеку" бактерии, с которой взаимодействует белок Cas1, попадает случайный набор "букв" из ДНК самой кишечной палочки, а при их появлении – фрагмент второго кольца, в котором содержится ген вируса P1. Эти изменения не пропадают из ДНК микроба при его делении и сохраняются в геноме его потомков на протяжении многих поколений.

Благодаря этому кишечная палочка превращается, как выражаются сами ученые, в своеобразный молекулярный "диктофон", который непрерывно записывает все сигналы, поступающие из внешней среды. В роли пленки в данном случае выступает "антивирусная библиотека" CRISPR, а в роли микрофона – вторая кольцевая молекула ДНК.

Как показали дальнейшие опыты, микробы могут вести подобную "слежку" на протяжении 8-10 дней без серьезных последствий для себя и появления неисправимых ошибок в их ДНК. Более сложные и продвинутые версии этих "шпионов" от микромира, как отмечают ученые, могут играть роль медицинских сенсоров, детекторов различных отравляющих или радиоактивных веществ, а также решать другие сложные задачи.