Živé buňky jako přepisovatelné DVD?

Když na to přijde, tak se bakteriální buňky s námi docela nadřou. Jako eukaryoti jsme očividně neschopní důvtipnějšího metabolismu anebo hlubší přeměny genomu, aniž bychom přestali fungovat. Došlo to tak daleko, že dneska najdeme spolupracující bakterie skoro úplně všude, kam se jen podíváme. Přesto by asi jenom málokoho donedávna napadlo, že vtipně upravené bakteriální buňky budeme moci využívat, jako médium pro přepisovatelná digitální data.

Právě na takové technologii teď pracují bioinženýr Jerome Bonnet ze Stanfordské univerzity a jeho dva kolegové. Společně vyvinuli molekulární konstrukt, s nímž je možné pomocí upravených bakteriálních enzymů opakovaně zapisovat, číst a zase mazat digitální data v DNA živých bakterií E. coli, kmene DH5alphaZ1. Na první pohled to možná působí poněkud bláznivě, ale taková technologie ve skutečnosti nabídne celou řadu velmi zajímavých aplikací. Určitě se bude hodit při studiu rakovinného bujení, stárnutí, embryonálního vývoje a také interakcí v životním prostředí. Bonnetův spoluautor Drew Endy si pochvaluje, že teď bude možné kupříkladu spočítat, kolikrát se která buňka dělila a jednou třeba půjde s takovou technologií vypnout určité buňky ještě předtím, než se z nich stanou nebezpečné nádory.

Bonnet a spol. vlastně vytvořili živoucí paměť, podobnou pamětem ze světa počítačů, která je schopna uchovat informace, aniž by spotřebovávala energii. Jejich bakterie se tak stávají bizarním členem ctihodné společnosti děrných štítků, disket, harddisků a flash pamětí. Neměly by s nimi soupeřit v rekordních hodnotách, vtip je v tom, že pracují v žijících buňkách. Fungování paměťových bakterií je založeno na modulech RAD (Recombinase Addressable Data), v nichž pracují dva proteiny s protikladnou funkcí – serin integráza a excisionáza. Oba klíčové proteiny jsou odvozeny z genetické výbavy bakteriofágů a s informací pracují prostřednictvím otáčení specifického úseku DNA. Integráza DNA vkládá, excisionáza ji zase naopak vyjímá. Podobná manipulace s DNA je samozřejmě virům vlastní, takže je to vcelku pochopitelná volba. Badatelé použili serin integrázu Bxb1 gp35, která zařizuje vložení genomu bakteriofága Bxb1 do genu GroEL1 hostitelské bakterie Mycobacterium smegmatis a spolu s ní excisionázu Bxb1 gp47.

Právě spřažení těchto proteinů do jednoho modulu dalo badatelům nejvíc práce. Samostatně fungovaly poměrně snadno, přemluvit je ke spolupráci bylo ale docela tvrdým oříškem. Bonnetův tým potřeboval celkem 3 roky práce a 750 pokusů na to, aby jemně vybalancoval hladiny zúčastněných proteinů. Nakonec se to povedlo a do bakterií s RAD moduly lze zapisovat jeden bit informace opakovaně a spolehlivě. Vědci to přesvědčivě předvedli na modulu RAD, který velmi esteticky zviditelňoval stavy 0 a 1 jednoho bitu uložené informace s pomocí fluorescenčních proteinů – zeleného GFP a červeného RFP.

Drew Endy, jinak známý propagátor bioinženýrství a spoluzakladatel konceptu BioBricks i Registru standardních biologických součástek (Registry of Standard Biological Parts), vnímá biologické systémy jako jedno z nejzajímavějších platforem k programování. V současné době se snaží ve výzkumu posunout od bakterií s jedním genetickým bitem k systémům schopným uchovat osm bitů informace, čili jeden byte, aby se tak přiblížil možnému praktickému využití bakterií s živou pamětí.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Originální studie: Bonnet et al. 2012, PNAS 109: 8884-8889.

Připraveno podle: PhysOrg: Totally rad: Scientists create rewritable digital data storage in DNA

Obrazové přílohy:

Buňky na Petriho miskách světélkují podle přepnutí technologií RAD. Kredit: Stanford University.

Drew Endy. Kredit: D. Endy, Stanford University.

Mykobakteriofág Bxb1. Kredit: Mycobacteriophage Database.