Новая технология хранения данных в бактериальных клетках не требует синтеза ДНК

Американские ученые на страницах журнала Nature Chemical Biology сообщили о разработке принципиально новой системы для записывания двоичных данных в геномах живых клеток. Ранее существовавшие подходы для записи данных в геномных последовательностях основаны на синтезе ДНК in vitro. Новый метод позволяет внедрять кусочки ДНК, соответствующие трем битам информации, из плазмиды в бактериальные геномы в ходе CRISPR-адаптации после предварительной электростимуляции; синтез ДНК не требуется. С помощью нового подхода в геномы удается поместить 72 бита информации, которые к тому же сохраняются после многократных делений бактерий. Метод получил название DRIVES (Data Recording In Vivo by Electrical Stimulation).

Работа системы основана на функционировании оперона SoxRS, чувствительного к окислительно-восстановительному состоянию клетки. Бактериальные клетки, с которыми работали ученые, экспрессировали нуклеазы Cas1/Cas2 на высоком уровне, поэтому в их локусах CRISPR постоянно происходила интеграция новых спейсеров. Предварительно в клетках индуцировали состояние окислительного стресса с помощью восстановленного ферроцианида или фенозинметосульфата. Приложение электрического напряжения порядка 0,5 В приводит к окислению этих веществ, что вызывает активацию редокс-чувствительного промотора SoxS. Активация этого промотора, в свою очередь, приводила к увеличению копийности плазмиды pTrig, а при увеличении копийности pTrig в бактериальных клетках резко возрастало количество спейсеров, происходящих из нее. Приложение внешнего электрического напряжения повышало копийность плазмиды более чем в 400 раз, а количество спейсеров, взятых из pTrig, возрастало примерно в 34 раза.

С помощью трех электрических импульсов авторы смогли получить все 8 возможных единиц информации из трех битов, причем каждый бинарный бит — это десятичный логарифм от копийности плазмиды pTrig в данный момент времени, которая напрямую связана с количеством спейсеров, взятых из pTrig и вставленных в локус CRISPR данной клетки.

В качестве тестовой информации, которую можно с помощью двоичного кода «вписать» в бактериальные клетки, авторы взяли любимую программистами фразу «Hello world!» (см. рисунок в статье). Даже через 60 делений клеток исходная информация остается неизменной с вероятностью 90%. Авторы также показали, что могут добавить популяцию E. coli со своим сообщением к смеси обыкновенных почвенных микробов, а затем секвенировать геномы и восстановить сохраненное сообщение. Таким образом, с помощью DRIVES в бактериальные геномы можно эффективно записывать текстовые сообщения и декодировать их даже через десятки делений бактерий. В клетках информация защищена от воздействий внешней среды, которые разрушили бы «голую» ДНК, отмечают исследователи.