Eadweard Muybridge var en pionjär inom både tidig film och vetenskaplig observation. Hans ikoniska klipp av en galopperande häst användes berömt för att avgöra en satsning om huruvida djuret lyfte alla fyra hovarna från marken när det var i rörelse.
Mer än 130 år efter detta genombrott är Muybridge i centrum för en annan eftersom forskare framgångsrikt har kodat in denna ikoniska film i levande cellers DNA. Resultatet är en så kallad organisk GIF, och är det första steget i vad forskare refererar till som en ”molekylär registrerare”, som kan existera, observera och fånga information i levande celler.
”Vi vill förvandla celler till historiker”, förklarade neuroforskaren Seth Shipman, en genetiker vid Harvard Medical School. ”Vi föreställer oss ett biologiskt minnessystem som är mycket mindre och mer mångsidigt än dagens teknologier, som kommer att spåra många händelser utan störningar över tiden.”
Med hjälp av genredigeringstekniken CRISPR, försökte forskare finansierade av National Institutes of Health (NIH) bevisa att all godtycklig sekventiell information – inte bara genetisk information – kunde kodas in i ett genom. Det gjorde de först med en enda bild, av en mänsklig hand och med hjälp av en bakteries immunförsvar.
(Ovan: Till vänster är en bild av en mänsklig hand, som kodades in i nukleotider och fångades av CRISPR-Cas-anpassningssystemet i levande bakterier. Till höger är bilden efter flera generationer av bakterietillväxt, återvunnen genom sekvensering av bakteriegenom . Kredit: Seth Shipman)
När en bakterie attackeras av ett virus producerar dess celler enzymer för att skära och bearbeta virusets genetiska kod. Den gör detta för att komma ihåg inkräktaren, ta en del av virusets genetiska kod och lägga till den i sitt eget genom, som att sätta huvudet på gäddor. Allt eftersom tiden går växer bakteriens arvsmassa, mer genetisk kod från virus läggs till och fler huvuden staplas på gäddan.
Shipman och hans kollegor hackade denna process med hjälp av CRISPR-systemet. CRISPR-Cas9 är proteinet i bakteriens immunsystem som skär virusets genetiska kod, medan Cas1 och Cas2 är proteinerna som infogar virus-DNA:t i genomet. Av avgörande betydelse är att dessa proteiner lägger till DNA:t i den ordning det påträffas, vilket innebär att forskarna kan mata de syntetiska DNA-strängarna av E. Coli, speciellt designade med sekventiell information – som sedan kan avkodas och omvandlas till en bild, eller en serie bildrutor i en animation. För mer information, läs vår fullständiga förklarande om CRISPR.
Även om det är imponerande att koda en kort film till DNA, planerar forskarna inte att skapa någon typ av Netflix-app på cellnivå. Muybridge-klippet är avsett att visa räckvidden för CRISPR-systemet för att förvandla levande celler till inspelningsenheter, dra information från omgivningen och hålla en sekventiell registrering i deras genom. Detta skulle kunna användas i allt från att modellera sjukdomar till att övervaka nivån av föroreningar i marken.
En särskilt spännande tillämpning är neurologi. Shipman utbildade sig till neurolog och han tror att tekniken kan spela en viktig roll i hur forskare låser upp hjärnans mysterier – genom att registrera hjärnans aktivitet och utveckling inifrån hjärnan. Medan Muybridges filmiska tekniker gjorde det möjligt för människor att se vad som var omärkligt för det mänskliga ögat, så kunde ”molekylära brännare” också ge oss en glimt av vad som hittills varit dolt.
”Vi vill använda neuroner för att registrera en molekylär historia av hjärnan genom utveckling,” sade Shipman. ”En sådan molekylär registrerare kommer att tillåta oss att så småningom samla in data från varje cell i hjärnan på en gång, utan att behöva komma åt, att observera cellerna direkt, eller störa systemet för att extrahera genetiskt material eller proteiner.”
Medan Muybridge GIF är första gången en film har kodats i DNA från levande celler, har andra forskare redan behandlat genetiska kretsar som organiska ZIP-filer. I mars publicerade ett par forskare vid New York Genome Center en rapport i Vetenskap journal, som beskriver metoder för att lagra komprimerade filer i DNA-molekyler.
Med hjälp av en algoritm för att översätta filerna till en binär kod som kan kartläggas på DNA:s nukleotidbaser kunde forskarna koda de totalt sex filerna: en akademisk uppsats från 1948, en Pioneer-plakett, ett operativsystem, en virus, filmen från 1895 L’Arrivée d’un train en gare de La Ciotat…och ett Amazon-presentkort på 50 USD.
