Eadweard Muybridge war ein Pionier des frühen Kinos und der wissenschaftlichen Beobachtung. Sein ikonischer Clip eines galoppierenden Pferdes wurde bekanntermaßen verwendet, um eine Wette zu begleichen, ob das Tier in Bewegung alle vier Hufe vom Boden gehoben hat.
Mehr als 130 Jahre nach diesem Durchbruch steht Muybridge im Mittelpunkt eines weiteren, da Wissenschaftler diesen ikonischen Film erfolgreich in die DNA lebender Zellen kodieren konnten. Das Ergebnis ist ein sogenanntes organisches GIF und ist der erste Schritt zu dem, was Forscher als molekularen Rekorder bezeichnen, der in der Lage ist, in lebenden Zellen zu existieren, Informationen zu beobachten und zu erfassen.
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Wir wollen aus Zellen Historiker machen, erklärte der Neurowissenschaftler Seth Shipman, Genetiker an der Harvard Medical School. Wir stellen uns ein biologisches Gedächtnissystem vor, das viel kleiner und vielseitiger ist als die heutigen Technologien, das viele Ereignisse im Laufe der Zeit nicht-intrusiv verfolgt.
Mit der Gen-Editing-Technologie CRISPR versuchten Wissenschaftler, die von den National Institutes of Health (NIH) finanziert wurden, zu beweisen, dass beliebige sequentielle Informationen – nicht nur genetische Informationen – in ein Genom codiert werden können. Sie taten dies zunächst mit einem einzigen Bild einer menschlichen Hand und mit Hilfe der Immunabwehr eines Bakteriums.
(Oben: Links ist ein Bild einer menschlichen Hand, die in Nukleotide kodiert und vom CRISPR-Cas-Anpassungssystem in lebenden Bakterien eingefangen wurde. Rechts ist das Bild nach mehreren Generationen Bakterienwachstum, das durch Sequenzieren von Bakteriengenomen gewonnen wurde Kredit: Seth Shipman)
Wenn ein Bakterium von einem Virus angegriffen wird, produzieren seine Zellen Enzyme, um den genetischen Code des Virus zu zerschneiden und zu verarbeiten. Dies geschieht, um sich an den Eindringling zu erinnern, indem er einen Teil des genetischen Codes des Virus nimmt und ihn seinem eigenen Genom hinzufügt, als würde man Köpfe auf Hechte setzen. Mit der Zeit wächst das Genom des Bakteriums, mehr genetischer Code von Viren wird hinzugefügt und mehr Köpfe werden auf dem Hecht gestapelt.
Shipman und seine Kollegen haben diesen Prozess mit dem CRISPR-System gehackt. CRISPR-Cas9 ist das Protein im Immunsystem der Bakterien, das den genetischen Code des Virus schneidet, während Cas1 und Cas2 die Proteine sind, die die virale DNA in das Genom einfügen. Entscheidend ist, dass diese Proteine die DNA in der Reihenfolge hinzufügen, in der sie angetroffen wird, was bedeutet, dass die Wissenschaftler die synthetischen E.Coli-DNA-Stränge füttern könnten, die speziell mit sequenziellen Informationen entworfen wurden – die dann entschlüsselt und in ein Bild oder eine Reihe von Bildern umgewandelt werden können in einer Animation. Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Erklärer zu CRISPR.
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Während es beeindruckend ist, einen Kurzfilm in DNA zu kodieren, planen die Wissenschaftler nicht, eine Art Netflix-App auf Zellebene zu entwickeln. Der Muybridge-Clip soll die Möglichkeiten des CRISPR-Systems zeigen, lebende Zellen in Aufzeichnungsgeräte zu verwandeln, Informationen aus ihrer Umgebung zu ziehen und eine sequentielle Aufzeichnung in ihrem Genom zu führen. Dies könnte für alles verwendet werden, von der Modellierung von Krankheiten bis hin zur Überwachung des Schadstoffgehalts im Boden.
Eine besonders spannende Anwendung ist die Neurologie. Shipman ist ausgebildeter Neurologe und glaubt, dass die Technologie eine wichtige Rolle dabei spielen könnte, wie Forscher die Geheimnisse des Gehirns entschlüsseln – indem sie die Gehirnaktivität und -entwicklung im Gehirn aufzeichnen. Während Muybridges filmische Techniken es dem Menschen ermöglichten, zu sehen, was für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar war, konnten uns auch molekulare Rekorder einen Einblick in das bisher Verborgene geben.
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Wir wollen Neuronen verwenden, um eine molekulare Geschichte des Gehirns während der Entwicklung aufzuzeichnen, sagte Shipman. Ein solcher molekularer Rekorder wird es uns ermöglichen, Daten von jeder Zelle im Gehirn gleichzeitig zu sammeln, ohne Zugang zu erhalten, die Zellen direkt zu beobachten oder das System zu stören, um genetisches Material oder Proteine zu extrahieren.
Während das Muybridge-GIF das erste Mal ist, dass ein Film in der DNA lebender Zellen kodiert wurde, haben andere Wissenschaftler genetische Schaltkreise bereits wie organische ZIP-Dateien behandelt. Im März veröffentlichte ein Forscherpaar des New York Genome Center einen Bericht in der Wissenschaft Journal, in dem Methoden zum Speichern komprimierter Dateien in DNA-Molekülen beschrieben werden.
Mit Hilfe eines Algorithmus zur Übersetzung der Dateien in einen binären Code, der auf die Nukleotidbasen der DNA abgebildet werden kann, konnten die Forscher die insgesamt sechs Dateien codieren: eine wissenschaftliche Arbeit von 1948, eine Pioneer-Plakette, ein Betriebssystem, u.a Virus, der Film von 1895Ankunft eines Zuges am Bahnhof La Ciotat…und eine Amazon-Geschenkkarte im Wert von 50 $.
