Система CAMERA: бактерии записывают информацию об окружающей среде в свою ДНК

Исследователи из MIT Вейксин Тан и Дэвид Лю разработали систему CAMERA (CRISPR-mediated analogue multi-event recording apparatus), которая позволяет бактериям записывать информацию о своём окружении в собственную ДНК.

Микроорганизмы могут фиксировать в ДНК наличие или отсутствие солнечного света, антибиотиков или питательных веществ в их среде.

Две версии системы

  • CAMERA 1 записывает присутствие и интенсивность внешнего сигнала, изменяя соотношение двух небольших кольцевых молекул ДНК (плазмид) внутри бактерии. Это позволяет определить, был ли сигнал, его силу и продолжительность.
  • CAMERA 2 — более продвинутая система, которая записывает информацию, внося прямое изменение в последовательность ДНК (аналог "записи" на геном).

Обе системы могут хранить информацию в течение нескольких часов и имеют функцию "сброса", которая очищает запись и готовит систему к новому измерению.

Как это работает

В основе технологии лежат два инструмента:

  1. CRISPR/Cas9 — система редактирования генов.
    • В CAMERA 1 CRISPR избирательно разрушает одну из двух плазмид, меняя их соотношение.
    • В CAMERA 2 CRISPR вносит точечные изменения в последовательность ДНК в ответ на присутствие целевой молекулы.
  2. Секвенирование ДНК нового поколения (next generation sequencing) — необходимо для считывания записанной информации. Эта технология позволяет быстро, точно и недорого обнаружить единичные изменения среди миллионов "букв" бактериального генома.

Потенциальное применение

Такая система имеет преимущества перед современными сенсорами:

  • Фундаментальные исследования: можно получить историю клетки — например, когда патоген начал вырабатывать токсин или когда в клетке закончились питательные вещества. Это альтернатива постоянному мониторингу с помощью репортёрных генов или дорогим метаболомным методам.
  • Микросенсоры: специализированные клетки могли бы отслеживать концентрации различных соединений. Биологические сенсоры более универсальны, точны, компактны и способны записывать несколько сигналов одновременно по сравнению с химическими или электрическими аналогами.

Будущее технологии

Следующим прорывом может стать создание бесклеточной системы записи на ДНК. Это устранило бы ограничения, связанные с необходимостью поддерживать жизнь клетки, упростило бы доступ к информации, калибровку и снизило бы риск загрязнения, поскольку система будет использовать полностью синтетическую ДНК без живого организма.

Снижение стоимости чтения и записи ДНК открывает путь для новых творческих применений этой фундаментальной молекулы жизни.