Το DNA ως αποθηκευτικός χώρος ταινιών και όχι μόνο
ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ
Posted by Youmagazine Staff
Ξεχάστε σκληρούς δίσκους, μαγνητοταινίες, φιλμ και CD. Τώρα μπορείτε να αποθηκεύσετε στο DNA σας μια ταινία ή ένα ηχογραφημένο μήνυμα!
Το DNA σας μπορεί τώρα να αποθηκεύσει ακόμη και ταινίες. Image: Supplied
ν
ΜΙΑ ομάδα επιστημόνων του Χάρβαρντ ανέβασε πρόσφατα στο διαδίκτυο μια σύντομη ταινία, φτιαγμένη από το DNA ζωντανών βακτηρίων.
Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών τόσο στη σύνθεση του DNA όσο και στη διαχείριση των αλληλουχιών, καθιστά το DNA ολοένα και πιο πολύ ως το καλύτερο ψηφιακό μέσο αποθήκευσης. Τους τελευταίους μήνες έχουν αποθηκευτεί με επιτυχία στο DNA ολόκληρα εγχειρίδια καθώς και ηχογραφήσεις ποίησης.
Η ταινία των επιστημόνων του Χάρβαρντ είναι μια κινητή εικόνα (αυτό που ονομάζουμε σήμερα gif) που ελήφθη από τον Έντγουερντ Μάιμπριτζ, τον Άγγλο φωτογράφο που θεωρείται πατέρας του κινηματογράφου.
Ο Μάιμπριτζ (1830 – 1904) ανακάλυψε το λεγόμενο zoopraxiscope, μια συσκευή για την προβολή διαδοχικών φωτογραφιών που έδιναν την εντύπωση της κίνησης και που θεωρείται ο πρόδρομος των κινηματογραφικών ταινιών. Το 1878 έβγαλε μια σειρά από φωτογραφίες ενός αλόγου που κάλπαζε και ενώνοντάς τες έδωσε κίνηση στο άλογο που απεικόνιζαν.
Στο gif που ακολουθεί, η αριστερή σκηνή δείχνει το άλογο του Μάιμπριτζ και η δεξιά την ίδια κινούμενη εικόνα όπως ανακατασκευάστηκε από βακτήρια, με το 90% των κωδικοποιημένων πληροφοριών να παραμένουν άθικτες.
ν
«Μια σχετικά ανεξερεύνητη οδός αποθήκευσης πληροφοριών στο DNA είναι η ικανότητά του να εγγράφει πληροφορίες στο γονιδίωμα ενός ζωντανού κυττάρου με την προσθήκη νουκλεοτιδίων με την πάροδο του χρόνου», γράφουν οι ερευνητές στη μελέτη του που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature την περασμένη εβδομάδα.
(Τα νουκλεοτίδια είναι οργανικές ενώσεις, σύνθετα οργανικά μόρια, που σχηματίζουν τη βασική μονάδα του DNA).
«Χρησιμοποιήσαμε το σύστημα CRISPR-Cas για να κωδικοποιήσουμε τις τιμές pixel των ασπρόμαυρων εικόνων, δημιουργώντας μια μικρή ταινία στα γονιδιώματα ενός πληθυσμού ζωντανών βακτηρίων», αναφέρουν στη μελέτη.
«Με αυτόν τον τρόπο, πιέζουμε τα τεχνικά όρια αυτού του συστήματος αποθήκευσης πληροφοριών και βελτιστοποιούμε τις στρατηγικές για να ελαχιστοποιήσουμε αυτούς τους περιορισμούς».
Φυσικά στόχος των επιστημόνων δεν είναι να αποθηκεύσουν στο DNA τα επεισόδια της τελευταίας σεζόν του Game of Thrones. Αντίθετα, αυτό που θέλουν είναι να μπορούν να καταγράφουν όλα τα δεδομένα του γονιδιώματος των ζωντανών κυττάρων, ώστε να μπορούν, προβάλλοντάς τα αργότερα σαν ταινία, να αντλήσουν πληροφορίες που θα τους επιτρέψουν να καταπολεμούν τις διάφορες ασθένειες.
ν
Βακτήρια, χρωμοσώματα, γονίδια και DNA
Το όνομα βακτήρια (ή βακτηρίδια) προέρχεται από την αρχαία ελληνική λέξη βακτηρία (δηλαδή ράβδος, μπαστούνι), λόγω του σχήματος που είχαν οι πρώτοι εξ αυτών παρατηρηθέντες μικροοργανισμοί. Τα βακτήρια είναι μικροσκοπικοί, μονοκύτταροι οργανισμοί και συναντώνται σε πολύ μεγάλους αριθμούς σε κάθε είδους βιότοπο. Υπάρχουν δισεκατομμύρια σε ένα γραμμάριο γόνιμου κηποχώματος ή εκατομμύρια σε μια σταγόνα σάλιου.
Τα βακτήρια εμφανίζονται σε τέσσερα σχήματα: σφαιρικό, ραβδοειδές, σπειροειδές και καμπυλόγραμμης ράβδου.
Ανατομία ενός βακτήριου. Image: Supplied
ν
Τα βακτήρια έχουν πολύ απλή κυτταρική δομή. Το DNA τους είναι επίσης απλό χωρίς πυρηνική μεμβράνη και χωρίς χρωμοσώματα. Πολλά βακτήρια περιέχουν ωστόσο πλασμίδια, δηλαδή μικρά, δίκλωνα κυκλικά μόρια DNA. Η ικανότητα των πλασμιδίων να μεταφέρονται από το ένα βακτήριο στο άλλο, προσθέτοντάς του έτσι νέες ιδιότητες, έχει τεράστια σημασία στην ανάπτυξη παθογονικότητας και ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά από βακτηριακά στελέχη· έχει επίσης βρει θεαματικές εφαρμογές στην γενετική μηχανική.
Και στο σημείο αυτό υπεισέρχεται το CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat). Πρόκειται για μια επαναστατική τεχνική ακριβούς κατάτμησης και τροποποίησης του DNA, είτε αυτό ανήκει σε άνθρωπο ή ζώο, είτε σε βακτήριο, που ανακαλύφθηκε όταν ερευνητές μελετούσαν το ανοσοποιητικό σύστημα κάποιων βακτηρίων. Το όνομα αυτό αναφέρεται στη μοναδική οργάνωση μικρών και επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών του DNA που βρίσκονται μέσα στο γενετικό σύστημα των βακτηρίων και αποτελούν μέρος του ανοσοποιητικού τους συστήματος.
ν
Πώς δουλεύει το CRISPR-Cas
Όταν ένας ιός προσβάλει το βακτηριακό κύτταρο, το ανοσοποιητικό CRISPR σύστημα του βακτηρίου αιχμαλωτίζει ένα τμήμα του DNA του ιού και το ενσωματώνει μέσα στο δικό του DNA. Με τον τρόπο αυτό το ανοσοποιητικό σύστημα του βακτηρίου αναγνωρίζει τον ιό από τον οποίο προήλθε και εξουδετερώνει την επίθεση καταστρέφοντας το γονιδίωμα του ιού που είναι απαραίτητο για την αναπαραγωγή του.
Πρόκειται για ένα ολοκαίνουριο εργαλείο στη μοριακή βιολογία, καθώς οι επιστήμονες το χρησιμοποιούν είτε για να επεξεργαστούν γονιδιώματα και να διορθώσουν τα γονίδια, είτε να σπάσουν τα γονίδια είτε να κάνουν άλλα πράγματα.
Στο σημείο αυτό υπεισέρχεται η τεχνολογία CRISPR-Cas9. Για λόγους ευκολίας μπορούμε να φανταστού με το Cas9 (CRISPR-associated protein-9) σαν ένα ψαλίδι με το οποίο μπορούμε να κόψουμε κομμάτια από τη διπλή έλικα του DNA και να τα μεταφέρουμε αλλού προκειμένου να διορθώσουμε ένα γονίδιο.
ν
CRISPR-Cas9 είναι ένα εργαλείο επεξεργασίας γονιδιώματος που έχει δημιουργήσει θόρυβο στον κόσμο της επιστήμης. Είναι ταχύτερη, φθηνότερη και ακριβέστερη από τις προηγούμενες τεχνικές επεξεργασίας DNA και έχει ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών. Image: Supplied
ν
Τα γονίδια είναι συγκεκριμένες αλληλουχίες βάσεων του DNA, δηλαδή του κώδικα για συγκεκριμένες πρωτεΐνες, τα οποία περιέχουν αποθηκευμένη μια συγκεκριμένη γενετική πληροφορία.
Κύτταρα, γονίδια και DNA. Image: Supplied
ν
Το CRISPR-Cas9 είναι μια μοναδική τεχνολογία που επιτρέπει στους γενετιστές και τους ιατρικούς ερευνητές να επεξεργάζονται τμήματα του γονιδιώματος, με την αφαίρεση, προσθήκη ή τροποποίηση τμημάτων της αλληλουχίας του DNA.
Το σύστημα CRISPR-Cas9 αποτελείται από δύο βασικά μόρια που επιτρέπουν μια αλλαγή ή μετάλλαξη στο DNA. Αυτά είναι:
α) Ένα ένζυμο που ονομάζεται Cas9. Αυτό λειτουργεί ως ένα ζεύγος «μοριακών ψαλιδιών» που μπορούν να κόψουν τους δύο κλώνους του DNA σε μια συγκεκριμένη θέση στο γονιδίωμα, έτσι ώστε να μπορούν να αφαιρεθούν ή να προστεθούν δύο κομμάτια του DNA.
β) Ένα τμήμα του RNA που ονομάζεται οδηγός RNA (gRNA). Αυτό αποτελείται από ένα μικρό κομμάτι προ-σχεδιασμένης αλληλουχίας RNA (μήκους περίπου 20 βάσεων) που βρίσκεται μέσα σε ένα μακρύτερο ικρίωμα RNA. Το ικρίωμα προσαρμόζεται στο DNA και τους προκαθορισμένους οδηγούς αλληλουχίας Cas9 στο δεξιό τμήμα του γονιδιώματος. Αυτό διασφαλίζει ότι το ένζυμο Cas9 θα κόψει ή θα δέσει το DNA στο σωστό σημείο του γονιδιώματος.
Στο βίντεο που ακολουθεί, ο Paul Andersen εξηγεί πώς το σύστημα άμυνας CRISPR/Cas εντοπίστηκε στα βακτήρια και πώς χρησιμοποιείται για την επεξεργασία γονιδιωμάτων. Με τον όρο γονιδίωμα (genome) χαρακτηρίζεται το σύνολο του γενετικού υλικού που βρίσκεται σ’ ένα κύτταρο ή φέρεται σ’ ένα άτομο.
Πατήστε το κουμπί των υποτίτλων για να εμφανίζονται βοηθητικά αυτόματοι αγγλικοί υπότιτλοι.
ν
ν
Το RNA είναι μια τις δύο κατηγορίες των πολυμερών νουκλεϊκών οξέων στο κύτταρο. Αποτελείται από μονομερή νουκλεοτίδια (έχει δηλαδή μια έλικα) που παίζουν σημαντικό ρόλο στη διαδικασία της μετάφρασης του γενετικού κώδικα από την έτερη κατηγορία νουκλεϊκού οξέος, δηλαδή το DNA, σε πρωτεϊνικά προϊόντα. Το RNA χαρακτηρίζεται ως ο «αγγελιοφόρος» μεταξύ του DNA και των πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων που είναι γνωστά σαν ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου (αγγελιαφόρο RNA, mRNA). Το RNA μαζί με το DNA αποτελούν το γενετικό υλικό όλων των οργανισμών.
Η καινούρια δυνατότητα που ανακάλυψαν οι επιστήμονες ερευνώντας το DNA, κάνουν κάποιον να σκεφτεί το εξής: μήπως ο κόσμος τον οποίο αντιλαμβανόμαστε γύρω μας, δεν είναι κάτι χωριστό από εμάς, αλλά είναι εγγεγραμμένος στο DNA μας και εμείς τον βλέπουμε προβάλλοντας την εικόνα του μέσω των ματιών;
