Η αποθήκευση ταινιών σε DNA και η εξερεύνηση του εγκεφάλου. Who Needs Hard Drives? Scientists Store Film Clip in DNA

A new CRISPR system-based technology enables the recording of digital data, like those presenting successive frames of the movie of a galloping horse, one of the first made ever, in a population of living bacteria. In the future, this molecular recording device could allow researchers to have cells record the key changes they undergo during their development or exposure to environmental or pathogenic signals. Credit: Wyss Institute at Harvard University

Μια από τις πρώτες κινούμενες εικόνες που έγιναν ποτέ, ήταν από τον Βρετανό φωτογράφο Eadweard Muybridge το 1878, και έδειχνε ένα άλογο που καλπάζει.

A pixelated image from an early film shows a mare running. Scientists stored the short film in bacterial DNA and then retrieved it. Credit: Seth Shipman

Μετά από περίπου ενάμισυ περίπου αιώνα μια κινούμενη εικόνα-ταινία, που δείχνει πάλι ένα άλογο που καλπάζει, αποθηκεύτηκε σε DNA ζωντανού κυττάρου και μπορεί να ανακτηθεί ανά πάσα στιγμή, ανεξάρτητα από την διαίρεση και εξέλιξη του κυττάρου.

Το επίτευγμα περιγράφεται σε δημοσίευση του περιοδικού Nature από ερευνητές της ιατρικής σχολής του Χάρβαρντ. [CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria]

Οι επιστήμονες έχουν ήδη καταφέρει να «μεταφράσουν» όλα τα σονέτα του Σαίξπηρ σε DNA, ενώ ο George Church, ένας από τους συγγραφείς της παραπάνω μελέτης, κωδικοποίησε πρόσφατα το δικό του βιβλίο “Regenesis” σε βακτηριακό DNA και έκανε 90 δισεκατομμύρια αντίτυπα από αυτό!

Η αποθήκευση σε DNA μιας κινούμενης εικόνας, έκανε τους επιστήμονες να αναρωτιούνται αν είναι πιθανό μια μέρα να καταφέρουμε κάτι πιο εξωτικό: να προγραμματίσουμε βακτήρια, έτσι ώστε τοποθετώντας τα στο ανθρώπινο σώμα, να καταγράφουν το τι κάνουν ανθρώπινα κύτταρα, δημιουργώντας την «ταινία» της ζωής του κάθε κυττάρου. Όταν ένα άτομο θα αρρωσταίνει, οι γιατροί από τις καταγραφές αυτών των βακτηρίων θα καταλαβαίνουν τι δεν πάει καλά. Κάτι σαν τα μαύρα κουτιά των αεροπλάνων – με τη διαφορά ότι τα δεδομένα των μαύρων κουτιών χρησιμοποιούνται μετά την συντριβή.

Αν όλα αυτά ακούγονται ως επιστημονική φαντασία, τότε η αποθήκευση δεδομένων στο DNA είναι το πρώτο βήμα υλοποίησης αυτού του οραματισμού.

Ο Church και οι συνεργάτες του κατάφεραν να κωδικοποιήσουν την ψηφιακή ασπρόμαυρη ταινία χρησιμοποιώντας, αντί των ψηφιακών δεδομένων «0» και «1» του δυαδικού συστήματος των υπολογιστών, τα βιολογικά δεδομένα, τις τέσσερις βάσεις-νουκλεοτίδια A (αδενίνη), G (γουανίνη), C (κυτοσίνη) και Τ (θυμίνη) του μορίου του DNA.

Wyss Institute and Harvard Medical School researchers George Church and Seth Shipman explain how they engineered a new CRISPR system-based technology that enables the chronological recording of digital information, like that representing still and moving images, in living bacteria. Credit: Wyss Institute at Harvard University

Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας την τεχνική επεξεργασίας γονιδίων που ονομάζεται Crispr (εισάγει και διαχειρίζεται πρωτεΐνες σε μικροσκοπική κλίμακα), μετέφεραν αυτήν την αλληλουχία στο γονιδίωμα του γνωστού βακτηρίου Ε. Coli. Παρά την τροποποίηση αυτή τα βακτήρια αυτά αναπτύχθηκαν και πολλαπλασιάστηκαν. Η ταινία που αποθηκεύτηκε στο DNA διατηρήθηκε ανέπαφη στις επόμενες γενιές των βακτηρίων.

Richard Feynman at Caltech giving his famous lecture he entitled "There's Plenty of Room at the Bottom." (credit: California Institute of Technology)

Πριν από μισό αιώνα ο γνωστός φυσικός Richard Feynman πρότεινε ότι το DNA θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αποθηκευτικό μέσο πληροφοριών. Αυτό έγινε πολύ πριν από την επανάσταση της μοριακής βιολογίας και δεκαετίες πριν οι επιστήμονες καταφέρουν την επεξεργασία του DNA. Η Βιολογία δεν είναι απλά μια καταγραφή πληροφοριών, είχε πει σε μια διάλεξή του το 1959. Εξετάστε το ενδεχόμενο, ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι πολύ μικρό που θα κάνει αυτό εμείς θέλουμε.

Η ιδέα του Feynman μας κατεύθυνε, δήλωσε ο Leonard Adleman ένας μαθηματικός του Πανεπιστημίου της νότιας Καρολίνας και συν-εφευρέτης ενός από τα δημόσια συστήματα κρυπτογραφίας, RSA. To 1994, o Adleman είχε αναφέρει πως κατάφερε να αποθηκεύσει δεδομένα σε DNA και το χρησιμοποίησε σε ηλεκτρονικό υπολογιστή για να λύσει ένα μαθηματικό πρόβλημα. Προσδιόρισε ότι το DNA μπορεί να αποθηκεύσει ένα δισεκατομμύρια φορές περισσότερα δεδομένα από έναν σκληρό δίσκο στον ίδιο χώρο.

Και είναι γεγονός πως η αποθήκευση δεδομένων είναι ένα διογκούμενο πρόβλημα. Η τωρινή τεχνολογία αποθήκευσης δεδομένων σε λίγα χρόνια θα φαίνεται εντελώς απαρχαιωμένη μπροστά στην αποθήκευση δεδομένων σε DNA. Άλλωστε οι οργανισμοί έχουν αποθηκεύσει τις δικές τους πληροφορίες στο DNA για δισεκατομμύρια χρόνια, έτσι ώστε να είναι ακόμα μέχρι σήμερα αναγνώσιμο.

Σύμφωνα με τους Shipman και Church, η άμεση πρόκληση είναι ο εγκέφαλος. Περιέχει 86 δισεκατομμύρια νευρώνες και δεν υπάρχει εύκολος τρόπος για να μάθουμε τι κάνουν. Σήμερα μπορούμε να μετρήσουμε έναν νευρώνα κάθε φορά με ηλεκτρόδια, αλλά 86 δισεκατομμύρια ηλεκτρόδια δεν χωράνε στον εγκέφάλό μας. Αυτό θα μπορούσε να γίνει με τα «κατάλληλα» βακτήρια.

Η ιδέα είναι τα βακτήρια που έχουν διαμορφωθεί ως συσκευές καταγραφής να εισαχθούν στον εγκέφαλο διαμέσου του αίματος και να καταγράφουν δεδομένα. Στην συνέχεια οι επιστήμονες εξάγοντας τα βακτήρια από τον εγκέφαλο θα εξετάσουν το DNA τους για να δουν τι παρατήρησαν στους νευρώνες.

Ενώ όλα αυτά ακούγονται ως φουτουριστικές ιδέες, θα πρέπει να σημειωθεί πως η βιοτεχνολογία έχει προχωρήσει πολύ πιο γρήγορα απ’ ότι θα προέβλεπε κανείς.

Για παράδειγμα η αλληλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος. Η πρώτη προσπάθεια πήρε χρόνια και κόστισε 3 δισεκατομμύρια δολάρια. Οι πιο αισιόδοξοι πρόβλεψαν πως σε έξι δεκαετίες η χαρτογράφηση θα κοστίζει 1000 δολάρια. Αποδείχθηκε ότι τελικά αρκούσαν έξι χρόνια, αντί των έξι δεκαετιών.

Πηγές: Seth L. Shipman et al, CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature23017 - https://www.nytimes.com/2017/07/12/science/film-clip-stored-in-dna.html - https://physicsgg.me/2017/07/13/