دانشمندان موفق شدند یک فایل GIF را روی DNA یک باکتری زنده ذخیره کنند!

استفاده از DNA برای ذخیره اطلاعات ابتکار جدیدی نیست، اما تا به حال همیشه از DNA سنتزی (ساختگی) برای این کار استفاده می‌شد و نه از یک DNA زنده. استفاده از DNA زنده برای ذخیره سازی اطلاعات کار دشوارتری است، به این علت که سلول زنده همیشه در حال تغییر است. اما در گزارشی که امروز ر مجله Nature به چاپ رسید، اعلام شد که دانشمندان موفق شدند از سیستم دفاعی طبیعی یک باکتری زنده کمک بگیرند تا تصویر یک دست و یک ویدیو کلیپ ۵ فریم از فیلم معروف «حرکت انسان و حیوان» ادوارد مای‌بریج را در باکتری E. coli ذخیره کنند. آن‌ها توانستند تصویر را کاملا بازسازی کنند و ویدیو هم تا ۹۰ درصد مشابه با نمونه اصلی بازسازی شد.

این شیوه از سیستم تغییر ژن CRISPR بهره می‌برد. زمانی که یک ویروس به باکتری حمله می‌کند، باکتری از این مکانیزم دفاعی برای جدا کردن بخش‌های DNA ویروس استفاده می‌کند و بخش‌های جدا شده را در DNA خود جایگذاری می‌کند. این کار عملا DNA ویروس را تبدیل به بخشی از سلول باکتری تبدیل می‌کند. این دنباله‌ها (ساختارهای جدا شده از DNA ویروس که در DNA باکتری جایگذاری می‌شوند) به عنوان یک حافظه برای حملات ویروسی به کار گرفته می‌شوند. در نتیجه، سلول می‌تواند در صورت حمله مجدد، این اقدام را برای نسخه‌های آینده ویروس هم اجرا کند.

این حملات ویروسی به صورت معکوس با ترتیب چگونگی اتفاق‌شان ثبت می‌شوند، چون به مرور زمان این دنباله‌های مذکور تبدیل به رکورد فیزیکی زنده از تمامی ویروس‌های مختلف می‌شوند که حمله کرده بودند. Seth Shipman، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی و محقق عصب شناس در دانشگاه هاروارد می‌گوید که تیم تحقیقاتی‌شان تصمیم گرفتند تا این سیستم را برای رسیدن به هدف خود هک کنند.

تصاویر و ویدیوهای که محققان در یک E. coli جایگذاری کردند از پیکسل‌های سیاه و سفید تشکیل شده ا‌ند. این تیم ابتدا پیکسل‌ها را در DNA رمزنگاری کردند، سپس با استفاده از الکتریسیته DNA مورد نظر را در سلول‌های E. coli قرار دادند. ایجاد یک جریان الکتریکی در سلول‌ها باعث ایجاد کانال‌هایی در دیواره سلول می‌شود و سپس DNA می‌تواند وارد سلول شود. از این‌جا به بعد، سیستم CRISPR مربوط به E. coli اقدام به ربودن DNA می‌کند تا آن را به ژنوم خود پیوند بزند. آن‌گونه که Shipman می‌گوید:

ما متوجه شدیم که اگر دنباله‌هایی را که استفاده می‌کنیم مانند آن چیزی بسازیم که معمولا سیستم می‌رباید، آن چه می‌خواهیم محقق می‌شود.

هنگامی که اطلاعات به داخل وارد شود، قدم بعدی احیا آن است. بنابراین، تیم مذکور DNA را به گونه‌ای ترتیب داد که دنباله را در طی یک برنامه کامپیوتری اجرا کند که در نهایت منجر به باز تولید موفقیت آمیز تصاویر می‌شود. با این اوصاف، اسبی که در تصویر بالا در حال حرکت است در واقع یک نمایش رایانه‌ای از تواله DNA است، چون با چشم غیر مسلح قادر به دیدن DNA نیستیم.

انتخاب این تصویر و ویدیو تصادفی نبود. Shipman درباره این موضوع می‌گوید که تیم ما قصد داشت تا به تصاویر اولیه‌ ایجاد شده توسط بشر در دنیای طبیعت رجوع کند مانند نقاشی‌هایی از دست که در غارها دیده می‌شود. در همخوانی با این موارد، فیلم ۵ فریم مای‌بریج که یک اسب در حال حرکت را نشان می‌دهد هم از اولین تصاویر متحرک ثبت شده است که بوسیله فناوری‌‌های نوین دهه ۱۸۷۰ شناخته شده است.

ما دریافتیم که رمزنگاری اطلاعات روی عناصر دنیای طبیعی راه جدیدی است که باید بوسیله چیزهایی که قبلا تجربه کرده‌ایم طی شود.

بنابراین، این روش نمی‌تواند اطلاعات زیادی را مدیریت کند. نرخ ویدیو بازسازی شده تنها ۳۶ پیکسل در ۲۶ پیکسل است که مقدار قابل توجهی نیست و بنابراین نمی‌توان انتظار رمزنگاری کتاب‌ها و فیلم‌های طولانی‌تر را را داشت که پیش‌تر در DNA سنتزی ذخیره سازی شده‌اند. اما روش جدید استفاده از باکتری زنده دریچه جدیدی را به احتمالات هیجان انگیز علوم زیستی باز می‌کند. به عنوان مثال می‌توانیم از سلول‌ها برای ثبت اطلاعات مربوط به حوادث محیط اطراف استفاده کنیم. به عنوان یک عصب شناس، Shipman امیدوار است روزی بتواند از این سیستم برای ثبت حوادث در طول زمان استفاده کند، مانند این‌که نرون‌ها چطور درون مغز ساخته می‌شوند. اگر این فرایند با موفقیت پیش برود، بعید نیست که روزی هم بتوان فیلم و سریال مورد علاقه خود را بر روی پوست ذخیره کرد.