Una GIF memorizzata nel DNA di un batterio!

Gli scienziati dell’Harvard Medical School e del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering per la prima volta sono riusciti ad archiviare nel DNA del batterio Escherichia Coli una GIF (Graphics Interchange Format) sfruttando un sistema chiamato Crispr. Successivamente sono riusciti a estrarre e rivedere la medesima GIF con un’accuratezza del 90 %.

Questo lavoro dimostra che tale sistema può catturare e memorizzare in modo stabile quantità di dati reali all’interno dei genomi di popolazioni di cellule viventi utilizzate come registratori capaci di memorizzare e riprodurre informazioni complesse anche in una sequenza cronologica.

Le premesse                                                                                                                                   

Nel 2016 un gruppo di ricercatori della Harvard Medical School (HMS), guidati da George Church, ha realizzato il primo supporto di archiviazione dati molecolare basato su CRISPR, il sistema usato dai batteri per difendersi dai virus. In quel caso l’informazione era immagazzinata in forma di sequenze di DNA nel sistema CRISPR e poteva essere richiamata, come se si stessero leggendo dati su un hard disk di un computer.

Lo studio

Recentemente, lo stesso gruppo di ricercatori ha mostrato in una serie di esperimenti che il sistema CRISPR può codificare all’interno di cellule viventi informazioni abbastanza complesse, come ad esempio un’immagine digitalizzata di una mano umana, oppure una sequenza di immagini in movimento.

Seth Shipman, principale autore dello studio, spiega: ”Il DNA è il luogo ideale per registrare informazioni. La biologia lo usa piuttosto efficacemente. È compatto e incredibilmente stabile”.

Come è possibile “registrare” una GIF in un microrganismo?

Il sistema CRISPR è usato dai batteri come sorta di “sistema immunitario” nei confronti dei virus. Funziona come una memoria delle infezioni passate: cattura frammenti di DNA virale e, a partire da essi, genera le sequenze spacer, regioni di DNA non codificante tra i geni, che sono aggiunte come nuovi elementi nel genoma batterico. Pertanto, grazie a questa memoria codificata nel genoma, quando si ripresenta lo stesso virus il batterio può riconoscerlo, attaccarlo e neutralizzarlo con una specifica proteina, la CRISPR-Cas9. Quest’ultima è diventata uno strumento molto usato per l’ingegnerizzazione del genoma. La Crispr-Cas9, che combina speciali proteine e molecole di RNA per tagliare e modificare il DNA, fu scoperta in alcuni batteri che utilizzano questo sistema per difendersi dai virus. Proteine reclutanti vengono usate per tagliare i virus durante l’infezione e per archiviare frammenti di lunghezza opportuna nel CRISPR. Cas9 si occupa dei tagli, ma Cas1 e Cas2 sono capaci di impartire l’ordine delle posizioni in cui devono avvenire i tagli stessi: l’aspetto interessante è che Cas1 e Cas2 non inseriscono il DNA virale in maniera random, ma lo fanno in ordine di arrivo. In questo modo, leggendo la sequenza CRISPR, è possibile conoscere la storia dei virus che hanno attaccato la popolazione batterica in passato.

Sostanzialmente, i ricercatori dell’HMS si sono serviti della tecnica “taglia e incolla” Crispr per introdurre nel genoma dei batteri il DNA su cui erano state archiviate le informazioni.

Il filmato “caricato” sui batteri di E. coli è il noto “Sallie Gardner al galoppo”, la sequenza di 24 fotografie con cui nel 1878 Eadweard James Muybridge era riuscito a ottenere una delle prime immagini in movimento della storia (https://www.youtube.com/watch?v=o-ZJxDHDK9c).

Gli scienziati sono riusciti a caricare 5 frame del filmato nelle cellule dei batteri. Ogni singolo frame del video è stato suddiviso in tanti pixel diversamente colorati. I nucleotidi del DNA sono stati in grado di decodificare i singoli pixel delle immagini (figura 1).

Fig.1 GIF da codificare. Credit: Wyss Institute at Harvard University

Ciascun batterio ha registrato frammenti del video e lo ha memorizzato nel proprio DNA. Successivamente, sequenziando il DNA di più di 600 mila cellule, i ricercatori hanno potuto ripristinare l’intera sequenza e riprodurre il filmato con un’accuratezza del 90 %.

http://i.dailymail.co.uk/i/gif/2017/07/Horse_GIF.gif  (Confronto tra l’immagine originale e quella ricostruita dopo essere stata memorizzata con CRISPR . Credit: Seth Shipman).

Il numero così elevato di cellule è stato reso necessario dal fatto che non tutte avevano accolto le informazioni inviate. Più cellule si usano, maggiori sono le probabilità di ottenere una ricostruzione accurata dei dati.

Seth Shipman, della Harvard Medical School, ha affermato: “Abbiamo progettato strategie che essenzialmente traducono le informazioni digitali contenute in ogni pixel di un’immagine o di un fotogramma così come il numero di fotogrammi in un codice del DNA che, con sequenze aggiuntive, è incorporato nei distanziatori. Ogni sequenza diventa così una collezione di distanziatori. Abbiamo poi fornito le raccolte per fotogrammi consecutivi in modo cronologico a una popolazione di batteri che, utilizzando l’attività Cas1/Cas2, li ha aggiunti alle sequenze CRISPR nei loro genomi”. E prosegue: ”Dopo aver recuperato tutte le sequenze dalla popolazione batterica mediante il sequenziamento del DNA siamo riusciti a ricostruire tutti i fotogrammi del film del cavallo al galoppo e dell’ordine in cui sono apparsi”.

“In questo studio mostriamo che altre due proteine del sistema CRISPR, Cas1 e Cas2, hanno un significativo potenziale per altre applicazioni volte a memorizzare nel genoma diversi dati: le informazioni in questione potrebbero essere fornite dai ricercatori dall’esterno oppure potrebbero essere le esperienze naturali delle cellule”, ha spiegato Church, coautore dello studio.

Il prossimo obiettivo dei ricercatori sarà quello di riprodurre lo stesso processo in altre tipologie di cellule per creare un sistema in grado di memorizzare le informazioni biologiche. Shipman, come neuroscienziato, spera che un giorno il sistema possa essere utilizzato per registrare eventi che accadono nel tempo, come ad esempio poter seguire tutto lo sviluppo di un neurone.

Angela Chimienti

 

Fonti (contenuti e immagini):

https://www.nature.com/articles/nature23017.epdf?referrer_access_token=0JKewj9jSSf3F_b_wpVpndRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0MjdOpafyPGesq6gh7mzZ6ZdHcTUMneWjcfB2DFK1Zem_-NYKmvuUS5TawdmsslG7tVjuMvMLvhnVmCxJ-Z5xfDs23bUfGhVrRUjIGIAZXkp-DU3en2MqSYz3AQWQNNTCK6c3ghq4NHz11Up8UhZCNZjMR1aTDF8VWuveTGmYrKRYZj8QRAD3Ml7WS-3RjP6MLfpLkf2RprvycdsNIo_tP8&tracking_referrer=www.lescienze.it

http://www.lescienze.it/news/2017/07/13/news/crispr_memorizzazione_foto_video-3602183/

https://hardware.hdblog.it/2017/07/18/Scienziati-GIF-batterio-vivo/

Video memorizzato nel DNA di un batterio vivente

I batteri saranno i nuovi hard disk

https://fineartamerica.com/products/e-coli-bacteria-david-mack-art-print.html Photo credit: David Mack ( immagine in evidenza)

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