Des biologistes de l'Université de Harvard aux États-Unis ont codé le premier
Edward Muybridge peut être considéré comme le créateur de l'animation GIF. Il a été le premier à utiliser des caméras pour obtenir une série d'images. Avec l'aide d'un appareil spécial - un zoopraxiscope - il en a fait de courtes vidéos en boucle. L'une de ses œuvres célèbres - prises de vue avec un cheval au galop - s'est avérée utile pour résoudre le différend si l'animal touche toujours le sol avec au moins un pied lors d'un galop (il s'est avéré que non). La chronophotographie, inventée par Muybridge, a servi de base à la cinématographie. Cependant, le photographe ne s'attendait pas à ce que ses photos pénètrent dans l'ADN des microbes (et il ne connaissait pas l'ADN).
Comment les chercheurs y sont-ils parvenus? Le système CRISPR / Cas9 récemment découvert a joué un rôle important. C'est le nom du mécanisme moléculaire qui opère à l'intérieur des bactéries et leur permet de combattre les virus. Les CRISPR sont des «cassettes» à l'intérieur de l'ADN d'un micro-organisme, qui sont constituées de sections répétitives et de séquences uniques - des espaceurs - qui sont des fragments d'ADN viral. Autrement dit, CRISPR est une sorte de banque de données contenant des informations sur les gènes des agents pathogènes. La protéine Cas9 utilise ces informations pour identifier correctement l'ADN étranger et le rendre inoffensif en le coupant à un endroit spécifique.
Le protospacer correspond à la séquence qui était autrefois "volée" au virus et est devenu un espaceur. Les scientifiques utilisent ce mécanisme moléculaire. L'espaceur code pour l'ARNr, auquel la protéine Cas9 est ensuite attachée. Au lieu de l'ARNr, vous pouvez utiliser un ARN synthétique avec une séquence spécifique - l'ARN guide (sgRNA) - et dire aux ciseaux où faire la coupe que les scientifiques veulent.
La bactérie obtient naturellement des espaceurs en empruntant des protospacers à des virus pathogènes. Une fois le fragment inséré dans CRISPR, le protospacer devient un signe qui permet au micro-organisme de reconnaître l'infection.
Cependant, CRISPR ne se limite pas à cela. Les biotechnologistes ont découvert que ces "cassettes" peuvent enregistrer des informations en utilisant des protospacers pré-synthétisés. Comme tout ADN, un protospacer est composé de nucléotides. Il n'y a que quatre nucléotides - A, T, C et G, mais leurs diverses combinaisons peuvent coder n'importe quoi. Ces données sont lues par séquençage - la détermination des séquences nucléotidiques dans le génome d'un organisme.
E. coli Photo: Manfred Rohde / HZI / DPA / Globallookpress.com
Tout d'abord, les scientifiques ont encodé une image en quatre couleurs et 21 couleurs d'une main humaine. Dans le premier cas, chaque couleur correspond à l'un des quatre nucléotides, dans le second, à un groupe de trois nucléotides (triplet). Chaque protospacer était une chaîne de 28 nucléotides, qui contenait des informations sur un ensemble de pixels (pixel). Pour distinguer les protospacers, ils ont été marqués avec quatre codes-barres nucléotidiques. À l'intérieur du code à barres, le nucléotide codait deux chiffres (C - 00, T - 01, A - 10, G - 11). Ainsi, CCCT correspondait à 00000001. Cette désignation permet de comprendre dans quelle partie de l'image se trouve tel ou tel pixel d'un pixel donné.
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L'image en quatre couleurs de la main se composait de 56x56 pixels. Toutes ces informations (784 octets) rentrent dans 112 protospacers. L'image en 21 couleurs était plus petite (30x30 pixels), donc 100 protospacers (494 octets) étaient suffisants pour cela.
Cependant, il n'est pas si facile d'insérer une séquence nucléotidique dans une bactérie, en espérant qu'elle l'insérera dans son propre ADN avec une probabilité de 100%. Par conséquent, les combinaisons de nucléotides en triplets n'ont pas été choisies au hasard, mais de sorte que la teneur totale en G et C dans une rangée était d'au moins 50 pour cent. Cela augmentait les chances que les bactéries acquièrent l'espaceur.
Photo: Centre Harry Ransom
Des protospacers ont été introduits dans la population d'Escherichia coli par électroporation - la création de pores dans la membrane lipidique des cellules bactériennes sous l'action d'un champ électrique. La bactérie possédait CRISPR fonctionnel et le complexe enzymatique Cas1-Cas2, ce qui a permis de créer de nouveaux espaceurs à base de protospacers.
Les micro-organismes ont été laissés toute la nuit et le lendemain, des spécialistes ont analysé les séquences nucléotidiques dans CRISPR et ont lu la valeur des pixels. La précision de lecture a atteint respectivement 88 et 96 pour cent pour les aiguilles à quatre et 21 couleurs. Des études supplémentaires ont montré qu'une acquisition presque complète des espaceurs s'est produite deux heures et 40 minutes après l'électroporation. Bien que certaines bactéries soient mortes après la procédure, cela n'a pas affecté le résultat.
Les scientifiques ont noté que certains espaceurs étaient beaucoup plus courants chez les bactéries que d'autres. Il s'est avéré que cela était influencé par des nucléotides situés à la toute fin du protospacer et formant un motif (une séquence faiblement variable). Ce motif, appelé AAM (motif affectant l'acquisition), se terminait par un triplet TGA. Cela a été utilisé par les biologistes pour coder l'animation dans les bactéries. Cinq clichés en 21 couleurs d'un cheval courant ont été capturés par le photographe américain Edward Muybridge. Leur taille est de 36 par 26 pixels.
Chaque trame a été codée avec un ensemble de 104 protospacers uniques, et la quantité d'informations a atteint 2,6 kilo-octets. Des marqueurs nucléotidiques spéciaux permettant de distinguer la séquence d'une trame de la séquence d'une autre n'ont pas été fournis. Au lieu de cela, différentes populations de bactéries ont été utilisées. Ainsi, un seul organisme n'a pas encore été utilisé comme porteur d'informations.
Les scientifiques ont l'intention d'améliorer cette approche. Cependant, jusqu'à présent, les êtres vivants sont loin derrière les dispositifs de stockage d'informations habituels. Ces études visent principalement à élucider les capacités de calcul des molécules d'ADN, qui peuvent être utiles pour créer des ordinateurs à ADN capables de résoudre simultanément un grand nombre de problèmes. Les organismes vivants sont une plate-forme pratique pour la recherche scientifique, car ils contiennent déjà des enzymes et d'autres substances nécessaires à la modification des chaînes nucléotidiques.
Alexandre Enikeev
