Bakteriální „kazeťák“ – jak si do DNA nahrajete vaší oblíbenou píseň

Některé nové vědecké objevy jsou jak z pera spisovatele sci-fi. Dokážete si představit, že by bakterie šly využít jako úložiště pro vaše data? Neuvěřitelné? Věřte, že v aktuální studii to genetičtí vědci dokázali.

Genetičtí inženýři z Massachusetts Institute of Technology (MIT) totiž přetvořili genom E.coli na zařízení pro dlouhodobé uchovávání informací. Něco jako staré dobré kazety nebo chcete-li jejich mladší sourozenci - USB disky. Závěry výzkumu ukazují, že tyto „bakteriální kazety“ jsou velmi stabilní, informace se dají snadno „přehrát“ nebo pokud chcete smazat. Prostě můžete s „bakteriálním kazeťákem“ dělat, co chcete podobně jako s klasickým kazeťákem nebo USB diskem. Uplatnění by tyto mikroskopické záznamníky mohly najít např. v citlivých senzorech pro environmentální nebo lékařské monitorování.

Timothy Lu, docent v oboru elektrické a biologické inženýrství, dále vysvětluje: “Vyvinuli jsme metodu na dlouhodobé uchovávání informací v bakteriální DNA. Představte si, že máte tento nový záznamový systém v bakterii obývající váš zažívací trakt nebo v bakterii v přírodě. Necháte tuto geneticky upravenou bakterii po nějakou dobu ve vámi zvoleném prostředí, pak přijdete, vezmete ji zpět do laboratoře a přečtete si, co za tu dobu uložila do své paměti.“

Studie publikovaná v časopisu Science překonává hned několik barier současných metod, zabývající se ukládáním specifických informací do bakteriálního genomu. Předešlé metody vyžadovaly velké množství bioregulačních prvků, což limitovalo množství informace, které šlo touto cestou uložit.

Obr. Genetičtí inženýři z Massachusetts Institute of Technology (MIT) přetvořili genom E.coli na zařízení pro dlouhodobé uchovávání informací. Uplatnění by tyto mikroskopické záznamníky mohly najít např. v citlivých senzorech pro environmentální nebo lékařské monitorování. Credit: Illustration Christine Daniloff/MIT

Předchozí pokusy byly mimo jiné limitovány tzv. digitální pamětí, tj. dokázaly ukládat pouze všechno nebo nic. To znamená, že informace se ukládala systémem ANO/NE podobně jako počítače pracují s 1 a 0. Nový systém používá tzv. analogovou paměť. Je schopný ukládat kromě ANO/NE i kvantitativní informaci, tedy jaké dávce chemikálie byla bakterie vystavena a po jakou dobu. Aby toto vědci dokázali, museli sestrojit tzv. bakteriální „genomický kazeťák“, který umožňuje vědcům nahrát nové informace do sekvence bakteriální DNA.

Stabilní paměť

K tomu, aby bakterie E. coli uchovávala nové informace, museli vědci z MIT naprojektovat buňku tak, aby produkovala speciální enzym rekombinázu, který dokáže vložit specifickou sekvenci jednořetězcové DNA na předem naprogramované místo v genomu bakterie. Princip tkví v tom, že tato specifická sekvence je nasyntetizována a vložena pouze v přítomnosti spouštěče (induktoru), kterým je sledovaná sloučenina v prostředí nebo dokonce jen světlo.

Poté co je tato DNA v přítomnosti spouštěče vyprodukována, rekombináza vloží DNA do genomu buňky a předem určené místo. „Tuto sekvenci/informaci pak můžeme vložit kamkoli v genomu, podobně jako si můžete nahrát vaši oblíbenou píseň na jakékoliv místo na kazetu“ dodává Dr. Lu.

Jakmile je takto informace v genomu uložena, bakterie si ji předávají při dělení z generace na generaci.

K ověření, zda byla informace v genomu uložena, existuje hned několik způsobů. Pokud je DNA vložena do části genomu nekódující žádnou funkci, sekvenování genomu bakterie tento vložený úsek snadno odhalí. Další možností je vložení úseku DNA do části genomu kódující funkční gen a tak ho např. zablokovat nebo naopak spustit. Právě tento způsob popisují vědci ve svém aktuálním článku. Nově vložená sekvence způsobuje zapnutí genu pro rezistenci na antibiotikum, což vědcům dovolilo přesně kvantifikovat množství bakterií, které sekvenci obsahují. Pokud byly totiž buňky pěstovány v přítomnosti antibiotika, přežily jen ty buňky, které na něj měly rezistenci, tj. ty s vloženou DNA.

Určení podílu přeživších buněk s vloženou DNA v celkové populaci dovoluje vědcům kvantifikovat množství expozice dané molekule, i jak dlouho tato expozice trvala. Vědci ve své studii využili tento princip k záznamu doby expozice světlu. Baterie ukládaly informaci, zda byly vystaveny světlu a po jakou dobu. Pro záznam využili vědci modifikované antibiotiku aTc a sloučeninu IPTG (analog metabolitu laktózy) jako spouštěč lac operonu. „Lze si ale představit, že podobně lze sledovat vliv a dobu expozice chemických látek“, vysvětluje Lu. Informace může být následně smazána tím, že se na místo vložené informace vloží jiný „kus“ DNA. Tento krok však vědci ještě potřebují doladit a optimalizovat.

Shawn Douglas z Kalifornské univerzity v San Diegu dodává: “Tato práce spojuje hned několik užitečných schopností bakterií: informace takto uchovaná je dlouhodobá, je jak kvalitativní tak i kvantitativní a protože se předává z buňky na buňku v rámci populace je tato informace pomnožena a lze ji snadno číst. Celá bakteriální populace vlastně funguje jako obří analogový „hard disk“.

Bakteriální senzory

Takto upravené bakteriální buňky skýtají hned několik využití při environmentálních aplikacích. Lze např. pomocí těchto bakterií monitorovat hladinu CO₂, acidity nebo polutantů v oceánech. Navíc bakterie mohou být navrženy tak, aby žily v zažívacím ústrojí člověka a monitorovaly množství cukrů nebo tuků, které přijímáme v potravě nebo detekovat zvýšenou teplotu následkem akutního zánětu střev.

Další využití se nabízí při konstrukci biologických počítačů, kde by bakterie mohly sloužit k provádění miliónů paralelních operací. „Protože jsou v jedné zkumavce miliardy a miliardy bakterií, které dokážeme přinutit, aby uchovávaly určitou informaci, lze si představit, že je půjde využít při takovémto paralelním počítání. Navíc celý proces počítání (ukládání informací) bude velice energeticky úsporný“, dodává Dr. Lu.

Dr. Lu uvádí na závěr ještě jednu možnou aplikaci, která však už zní malinko jako sci-fi. Podobně jako bakterie by šlo naprogramovat např. neuronové buňky, aby zaznamenávaly informace např. o přítomnosti markeru pro určitou chorobu.

Autor: Ing. Jiří Bárta PhD

Socialni_site%

Použité zdroje:

F. Farzadfard, T. K. Lu. Genomically encoded analog memory with precise in vivo DNA writing in living cell populations. Science, 2014; 346 (6211): 1256272 DOI: 10.1126/science.1256272

Massachusetts Institute of Technology. "Bacteria become 'genomic tape recorders', recording chemical exposures in their DNA." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 November 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/11/141113142006.htm>.