16.11.2014 | Наука

Нити ДНК превратили в источники хранения информации о жизни клетки

Биологи разработали методику снабжения клеток определённого рода памятью, которая помогла бы им записывать информацию об их жизнедеятельности в течение нескольких недель.

Исследователи представили себе, что клетки могут запоминать информацию об их жизнедеятельности. Если бы эти данные можно было легко считать, то у биологов появились бы в распоряжении целые истории о том, как та или иная клетка родилась, выросла, с какими молекулами взаимодействовала и какие сигналы отправляла клеткам-соседям. Такая информация помогла бы создавать экологические датчики, которые были бы чувствительны к повышению или снижению уровней какого-либо химического вещества или даже к освещению.

Поэтому учёные разработали методику снабжения клеток определённого рода памятью, которая помогла бы им записывать информацию об их жизнедеятельности в течение нескольких недель. Технология подразумевает использование нитей ДНК таким образом, чтобы они хранили данные в доступном для последующей расшифровки виде.

В ходе предыдущих исследований биологи превращали клетки в простые датчики посредством включения или выключения производства белков в ответ на определённый стимул. Но одно включение может записать всего один простой участок информации, сообщающий, была или не была ли клетка подвергнута воздействию стимула. Однако в таком случае информация о продолжительности или степени этого взаимодействия остаётся за кадром, а если клетка погибает, то данные, закодированные в белках, оказываются и вовсе утрачены.

"Мы хотели создать легко масштабируемую систему, которая была бы способна регистрировать более одной единицы информации. И начали мы с того, что стали думать как инженеры: какой должна быть идеальная система памяти?" — рассказывает синтетический биолог Тимоти Лу (Timothy Lu) из Массачусетского технологического института, который стал ведущим автором нового исследования, опубликованного в журнале Science.

Перебрав несколько возможных вариантов, Лу и его коллеги остановились на биологической программе, которая переписывает ДНК живой клетки в момент, когда клетка принимает определённый сигнал — от вспышки света до присутствия какого-либо химического вещества. После того, как ДНК подвергается изменению, информация оказывается встроенной в генетический материал и сохраняется даже в том случае, если клетка погибает.

Посредством секвенирования генов популяции клеток, которые содержат программу, биологи получают возможность определить степень и длительность сигнала. Так, чем больше клеток обладают генетической мутацией, тем сильнее или длительнее был сигнал. Об этом команда Лу рассказывает в пресс-релизе.

Данную методику исследователи назвали SCRIBE (Synthetic Cellular Recorders Integrating Biological Events, или "Синтетические клеточные регистраторы, интегрирующие биологические события"). Эта система основана на работе так называемых ритронов, составляющих генетической системы некоторых бактерий, которые производят одноцепочечную ДНК для изменения организма своего хозяина.

Учёные взяли бактериальные клетки и внедрили в них ритроны, которые при включении начнут производить уникальные одноцепочечные ДНК, но лишь в виде реакции на определённый стимул, химическое вещество или свет. Когда впоследствии клетка вступит в фазу копирования своего генетического материала, новая ДНК заменит почти идентичный существующий сегмент гена в клетке, лишь слегка её изменяя.

Лу и его коллеги провели тестирование такой методики на живых клетках. Последние были запрограммированы таким образом, чтобы реагировать на свет или общий биологический реагент.

В одном случае учёные сделали так, чтобы "запись" особенно легко считывалась в том случае, когда запрограммированные клетки в виде реакции на свет получали мутацию, заставляющую их экспрессировать ген устойчивости к антибиотику. Затем, когда клетки были выращены в присутствии антибиотика, учёные сразу смогли увидеть, какие клетки обладали специфической мутацией в гене. Результаты были позднее подтверждены путём секвенирования геномов бактерий.

По словам разработчиков SCRIBE, она может быть адаптирована под любые нужды: в ответ на каждый стимул клетки могут обретать любую генетическую мутацию, которую затем будет легко считать при помощи секвенирования.

"У нашей методики может быть масса практических применений. Прежде всего, с её помощью можно создавать базы данных о среде обитания клетки, охватывающие долгосрочный период. Например, если такая клетка-датчик помещена в воду на пару недель, то с её помощью можно будет определить, присутствуют ли в воде какие-либо токсины. Также на примере модифицированных при помощи SCRIBE клеток можно изучать процесс превращения одноклеточного организма в сложную биологическую систему на фундаментальном уровне", — рассказывает Лу.

Конечно, пока методика обходится гораздо дороже, чем классические методы регистрации тех или иных сигналов. Однако будущее у такой концепции может быть весьма впечатляющим, в особенности если учёные придумают, как записывать в ДНК больше разной информации.

Команда из MIT считает, что новый подход упростит многие сферы исследований естественных наук.

По публикациям UkrNet