Biólogos da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, codificaram o primeiro
Edward Muybridge pode ser considerado o criador da animação GIF. Ele foi o primeiro a usar câmeras para obter uma série de imagens. Com a ajuda de um dispositivo especial - um zoopraxiscópio - ele fez vídeos curtos e em loop com eles. Um de seus famosos trabalhos - tiros com um cavalo a galope - foi útil para resolver a disputa se o animal sempre toca o solo com pelo menos um pé durante um galope (aconteceu que não). A cronofotografia, inventada por Muybridge, serviu de base para a cinematografia. No entanto, o fotógrafo dificilmente esperava que suas fotos entrassem no DNA de micróbios (e ele não sabia sobre DNA).
Como os pesquisadores conseguiram isso? O sistema CRISPR / Cas9 descoberto recentemente desempenhou um papel importante. Este é o nome do mecanismo molecular que opera dentro das bactérias e permite que elas lutem contra os vírus. Os CRISPRs são “cassetes” dentro do DNA de um microrganismo, formados por seções repetidas e sequências únicas - espaçadores - que são fragmentos de DNA viral. Ou seja, o CRISPR é uma espécie de banco de dados com informações sobre genes de agentes patogênicos. A proteína Cas9 usa essas informações para identificar corretamente o DNA estranho e torná-lo inofensivo, cortando em um local específico.
O protoespaçador corresponde à sequência que antes foi "roubada" do vírus e se tornou um espaçador. Os cientistas estão usando esse mecanismo molecular. O espaçador codifica crRNA, ao qual a proteína Cas9 é então anexada. Em vez de crRNA, você pode usar um RNA sintético com uma sequência específica - o RNA guia (sgRNA) - e dizer à tesoura onde fazer o corte que os cientistas desejam.
A bactéria obtém espaçadores naturalmente tomando emprestados protoespaçadores de vírus patogênicos. Uma vez que o fragmento tenha sido inserido no CRISPR, o protoespaçador torna-se um sinal que permite ao microrganismo reconhecer a infecção.
No entanto, o CRISPR não se limita a isso. Os biotecnologistas descobriram que esses "cassetes" podem registrar informações usando protoespaçadores pré-sintetizados. Como qualquer DNA, um protoespaçador é composto de nucleotídeos. Existem apenas quatro nucleotídeos - A, T, C e G, mas suas várias combinações podem codificar qualquer coisa. Esses dados são lidos por sequenciamento - a determinação de sequências de nucleotídeos no genoma de um organismo.
E. coli Foto: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Os cientistas codificaram primeiro uma imagem em quatro e 21 cores de uma mão humana. No primeiro caso, cada cor correspondia a um dos quatro nucleotídeos, no segundo, a um grupo de três nucleotídeos (tripleto). Cada protoespaçador era uma sequência de 28 nucleotídeos que continha informações sobre um conjunto de pixels (pixel). Para distinguir protoespacers, eles foram marcados com quatro códigos de barras de nucleotídeos. Dentro do código de barras, o nucleotídeo codifica dois dígitos (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Assim, CCCT correspondeu a 00000001. Esta designação permite perceber em que parte da imagem se encontra este ou aquele pixel de um determinado pixel.
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A imagem de quatro cores da mão consistia em 56x56 pixels. Todas essas informações (784 bytes) cabem em 112 protoespaçadores. A imagem de 21 cores era menor (30x30 pixels), então 100 protoespaçadores (494 bytes) eram suficientes para ela.
No entanto, não é tão fácil inserir qualquer sequência de nucleotídeos em uma bactéria, esperando que ela a insira em seu próprio DNA com 100% de probabilidade. Portanto, as combinações de nucleotídeos em tripletos não foram escolhidas aleatoriamente, mas para que o conteúdo total de G e C em uma linha fosse de pelo menos 50 por cento. Isso aumentou as chances de as bactérias adquirirem o espaçador.
Foto: Harry Ransom Center
Os protoespaçadores foram introduzidos na população de Escherichia coli por eletroporação - a criação de poros na membrana lipídica das células bacterianas sob a ação de um campo elétrico. A bactéria possuía CRISPR funcional e o complexo enzimático Cas1-Cas2, o que possibilitou a criação de novos espaçadores baseados em protoespaçadores.
Os microrganismos foram deixados durante a noite e, no dia seguinte, especialistas analisaram as sequências de nucleotídeos no CRISPR e leram o valor do pixel. A precisão de leitura atingiu 88 e 96 por cento para ponteiros de quatro e 21 cores, respectivamente. Estudos adicionais mostraram que a aquisição quase completa de espaçadores ocorreu duas horas e 40 minutos após a eletroporação. Embora algumas bactérias tenham morrido após o procedimento, isso não afetou o resultado.
Os cientistas notaram que alguns espaçadores são muito mais comuns em bactérias do que outros. Descobriu-se que isso era influenciado por nucleotídeos localizados bem no final do protoespaçador e formando um motivo (uma sequência fracamente variável). Este motivo, denominado AAM (aquisição que afeta o motivo), terminou com um tripleto TGA. Isso foi usado por biólogos para codificar animação em bactérias. Cinco fotos coloridas de um cavalo correndo foram capturadas pelo fotógrafo americano Edward Muybridge. Seu tamanho é de 36 por 26 pixels.
Cada quadro foi codificado com um conjunto de 104 protoespaçadores únicos, e a quantidade de informações atingiu 2,6 kilobytes. Não foram fornecidos marcadores especiais de nucleotídeos que permitem distinguir a sequência de um quadro da sequência de outro. Em vez disso, diferentes populações de bactérias foram usadas. Assim, um único organismo ainda não foi usado como portador de informações.
Os cientistas pretendem melhorar essa abordagem. No entanto, até agora os seres vivos estão muito aquém dos dispositivos usuais de armazenamento de informações. Esses estudos têm como objetivo principal elucidar as capacidades computacionais das moléculas de DNA, que podem ser úteis para a criação de computadores de DNA capazes de resolver simultaneamente um grande número de problemas. Os organismos vivos são uma plataforma conveniente para a pesquisa científica, uma vez que já contêm enzimas e outras substâncias necessárias para a modificação das cadeias de nucleotídeos.
Alexander Enikeev
