Бактерии становятся «геномными магнитофонами»

Инженеры MIT превратили геном бактерии E. coli в устройство для долгосрочного хранения памяти. Эта стабильная, стираемая и легко извлекаемая память подходит для таких применений, как датчики для мониторинга окружающей среды и состояния здоровья.

Новая стратегия, описанная в выпуске журнала Science от 13 ноября, преодолевает несколько ограничений существующих методов хранения памяти в бактериальных геномах. Те методы требуют большого количества генетических регуляторных элементов, что ограничивает объем информации. Кроме того, они ограничены цифровой памятью (записью факта события). Новая система предназначена для хранения аналоговой памяти, которая может показать величину или продолжительность воздействия.

Стабильная память

Чтобы запрограммировать E. coli на хранение памяти, исследователи сконструировали клетки для производства фермента рекомбиназы. Этот фермент вставляет определенную последовательность одноцепочечной ДНК в целевой участок генома, но только при активации заданной молекулой или другим входным сигналом (например, светом).

После вставки память хранится в течение всего времени жизни бактериальной популяции и передается из поколения в поколение.

Информацию можно извлечь двумя способами:

• Секвенированием генома, если ДНК вставлена в нефункциональную часть.
• Нацеливанием вставки на изменение гена (например, включение гена устойчивости к антибиотику для последующего подсчета выживших клеток).

Измеряя долю клеток в популяции, несущих новую последовательность ДНК, можно определить величину и продолжительность воздействия. В работе система использовалась для детекции света, метаболита лактозы IPTG и производного антибиотика aTc, но может быть адаптирована и к другим сигналам.

Информацию можно стереть, стимулируя клетки к вставке другой последовательности ДНК в то же место (пока процесс не очень эффективен).

Бактериальные сенсоры

Возможные применения системы:

• Экологический мониторинг: отслеживание уровня CO₂, кислотности или загрязнителей в океане.
• Медицинский мониторинг: бактерии в пищеварительном тракте могут отслеживать потребление сахара или жира, либо обнаруживать воспаление при заболеваниях кишечника.
• Биологические компьютеры: для высокопараллельных вычислений (например, распознавание образов), что может быть энергоэффективно.
• Исследования клеток: инженерия нейронов или человеческих клеток для отслеживания экспрессии маркеров болезней или активности нейронов во времени.