Группа исследователей из Медицинского центра Колумбийского университета преобразовала естественный механизм иммунной системы бактерий, превратив его тем самым в микроскопический “магнитофон”, способный в режиме реального времени записывать данные о состоянии бактерии и окружающей ее среды. Данное достижение закладывает основу для целого ряда новых биологических технологий, в которых одноклеточные организмы могут быть использованы для диагностики состояния организма человека, для экологического контроля окружающей среды и т.п.
Микробами, превращенными в крошечные “магнитофоны”, стали вездесущие бактерии вида Escherichia coli (E.coli). Благодаря вмешательству в их генетический код они могут не только записывать изменения, происходящие в окружающей среде, но и сопровождать каждую запись соответствующей временной отметкой. Запись информации в генетический код микроорганизма производится при помощи механизма CRISPR-Cas, которая является основой иммунной системы многих видов микроорганизмов.
Иммунная система на базе CRISPR-Cas-механизма встраивает в генетический код микроорганизма участки генетического кода всех вирусов, атаковавших этот микроорганизм. Это делается для того, чтобы последующие поколения микроорганизмов могли успешно отражать атаки уже “известных” им вирусов. В результате, в ДНК микроорганизмов накапливается нечто вроде “хронологического отчета”, в котором фигурируют все виды вирусов, атаковавших не только данный микроорганизм, но и даже его самых далеких предков.
Для того, чтобы превратить механизм CRISPR-Cas в микроскопический “рекордер”, ученые модифицировали небольшие молекулы ДНК, называемые плазмидами, давая им способность создавать большее количество их копий внутри клетки в ответ на определенные внешние сигналы. В отсутствии любых внешних сигналов лишь один из видов модифицированных плазмид является активным, и CRISPR-Cas-механизм постоянно добавляет именно этот вид в общий геном клетки.
Но когда в клетку извне поступает определенный сигнал, это приводит к активации другого вида плазмид и вставке их в геном клетки. Таким образом, в геноме клетки получается последовательность, состоящая из участков плазмид разных типов, содержащая хронологическую запись событий, произошедших в окружающей клетку среде. После этого ученые могут извлечь “записанную” ДНК из клетки-магнитофона и расшифровать ее при помощи обычного способа секвенирования ДНК.
Согласно имеющейся информации, такой способ позволяет записывать в ДНК клетки информацию максимум о трех видах различных событий и сигналов в один момент времени. А длины внутриклеточной ДНК достаточно для непрерывной записи в нее информации в течение единиц или десятков дней, в зависимости от частоты происходящих событий.
И в заключение следует отметить, что технология CRISPR-Cas уже использовалась для записи в ДНК стихов, книг, компьютерных программ и даже видеофайлов. А данный случай является первым разом в истории науки, когда CRISPR-Cas-механизм был использован для записи клеточной деятельности и изменений в окружающей среде, сопровождаемых отметками реального времени.