Микроскопический рекордер на основе бактерий
Исследователи из Медицинского центра Колумбийского университета преобразовали естественную бактериальную иммунную систему в микроскопический регистратор данных, заложив основу для технологий, использующих бактериальные клетки для диагностики заболеваний и мониторинга окружающей среды.
Учёные модифицировали лабораторный штамм кишечной бактерии Escherichia coli, позволив ей не только записывать взаимодействия с окружающей средой, но и ставить временные метки на события.
«Такие бактерии, проглоченные пациентом, смогут записывать изменения, которые они испытывают на протяжении всего пищеварительного тракта, предоставляя беспрецедентный взгляд на ранее недоступные явления», — говорит Харрис Ван, старший автор работы, опубликованной в журнале Science.
Как работает система
В основе технологии лежит система CRISPR-Cas — бактериальный иммунитет, который копирует фрагменты ДНК вторгающихся вирусов, создавая хронологическую запись встреченных патогенов в геноме бактерии.
«CRISPR-Cas — это естественное биологическое устройство памяти. С инженерной точки зрения это замечательно, потому что это система, отточенная эволюцией для хранения информации», — поясняет Ван.
Исследователи модифицировали плазмиду (кольцевую молекулу ДНК), чтобы она создавала больше своих копий в ответ на внешний сигнал. Другая, «регистрирующая» плазмида, экспрессирует компоненты системы CRISPR-Cas и отмечает время.
- Без внешнего сигнала активна только регистрирующая плазмида, и клетка добавляет в свой CRISPR-локус «фоновые» последовательности, отмечающие время.
- При обнаружении сигнала активируется и вторая плазмида, что приводит к вставке её последовательностей.
В результате в геноме накапливается смесь последовательностей, по которым можно восстановить хронологию событий и изменения в окружающей среде с помощью вычислительных инструментов.
Результаты и перспективы
Система уже доказала способность обрабатывать как минимум три одновременных сигнала и вести запись в течение нескольких дней.
«Теперь мы планируем изучить различные маркеры, которые могут изменяться при естественных состояниях или состояниях болезни, в желудочно-кишечном тракте или других системах», — говорит доктор Ван.
Ранее CRISPR использовали для хранения в ДНК стихов, книг и изображений, но впервые эту систему применили для записи активности клеток и времени событий.