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Les biologistes ajoutent un GIF de cheval au galop dans l'ADN de bactéries vivantes


Des chercheurs de Harvard ont récemment encodé une image GIF dans l'ADN d'un organisme vivant. La recherche a été publiée le 12 juillet par Nature.

GIF extrait des extraits d'ADN implantés dans les cellules de bactéries vivantes à côté de l'image originale. [Source de l'image:Université de Harvard via GIPHY]

Il existe une multitude de façons de stocker des supports numériques - clés USB, cartes SD, DVD - la liste pourrait s'allonger pendant un certain temps. Maintenant, l'ADN a rejoint les rangs.

Le calcul ADN évolue rapidement et pourrait bientôt contenir toute la série Star Wars, toutes les chansons préférées et toutes les photos de chat que vous avez jamais vues dans un petit appareil invisible à l'œil nu. Une équipe de l'Université de Harvard dirigée par le généticien George Church réalise les vastes capacités de stockage de l'ADN après avoir intégré avec succès une série de photos dans l'ADN de bactéries vivantes.

Les cinq images sélectionnées par les chercheurs pour coder dans l'ADN ont été l'un des tout premiers enregistrements jamais réalisés par le photographe britannique Eadweard Muybridge. La série de photos représente une jument du nom d'Annie G. au galop en 1887. En tant que l'un des premiers enregistrements d'un animal biologique, les images choisies sont un commandement et une sorte de continuation du travail de Muybridge.

La publication récente des travaux de Church et de ses collègues est une magnifique avancée dans l'enregistrement moléculaire. Le travail est une amélioration des techniques précédentes de codage de l'ADN qui perturbaient la cellule hôte.

Enregistrements ADN précédents

Depuis quelques années, les chercheurs développent des méthodes coûteuses et intrusives qui récoltent l'ADN d'organismes vivants pour stocker des données numériques en dehors des cellules hôtes. Sans surprise, les cellules sont endommagées au cours du processus et meurent rapidement après l'extraction.

Les chercheurs de Harvard changent la façon dont les données sont enregistrées sur l'ADN en développant des techniques qui permettent aux cellules vivantes de transporter et de reproduire des données tout au long de leur vie. La nouvelle technique permet aux scientifiques de programmer des cellules vivantes et de puiser dans les informations à tout moment sans perturber le cycle de vie cellulaire.

Encodage d'ADN en direct avec des données numériques

En 2016, une équipe conjointe du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et de la Harvard Medical School (HMS) dirigée par le généticien George Church a construit le premier enregistreur moléculaire basé sur le système CRISPR. La technique a permis aux chercheurs de coder des données dans le génome de bactéries vivantes - dans ce cas, E. coli.

«Aussi prometteur que cela puisse être, nous ne savions pas ce qui se passerait lorsque nous essayions de suivre environ 100 séquences à la fois, ou si cela fonctionnerait du tout. C'était essentiel car nous visons à utiliser ce système pour enregistrer des événements biologiques complexes comme notre objectif ultime », a déclaré Seth Shipman, un stagiaire postdoctoral travaillant avec Church et le premier auteur de l'étude.

Aujourd'hui, un an plus tard, les mêmes chercheurs ont prouvé la fonctionnalité du système CRISPR. La nouvelle approche permet aux chercheurs de coder séquentiellement des informations complexes sous forme de film.

Comment fonctionne CRISPR

Le système CRISPR est un outil puissant que les scientifiques utilisent pour modifier avec précision les génomes. Dans la nature, le système fonctionne en codant des informations sur les génomes viraux invasifs (essentiellement des instructions que les virus injectent dans des séquences d'ADN pour inciter les cellules à se répliquer d'autres corps viraux). Des protéines spécifiques dans le corps peuvent reconnaître le code intrusif et peuvent le modifier en découpant l'ADN infecté, en extrayant les instructions non autorisées.

Les chercheurs utilisent la même technique pour trouver des brins spécifiques d'ADN et les implanter avec des brins contenant des données programmées.

Le processus commence par l'injection d'une protéine qui agit comme un scalpel moléculaire sur l'ADN. La protéine est d'abord attachée à une séquence d'ARN (acide ribonucléique - un acide nucléique dont le rôle principal est de porter des instructions pour coder et décoder des génomes spécifiques).

La séquence d'ARN implantée dans la protéine correspond à la séquence d'ADN que les chercheurs visent à modifier. En l'insérant dans la protéine, il peut se reconnaître et se fixer à un endroit spécifique le long d'un brin d'ADN. De là, une fois attaché à l'ADN cible, une réaction chimique divise le brin d'ADN. L'ADN scindé est ensuite inséré avec un nouvel espaceur contenant les données codées.

Auparavant, la technique était utilisée pour modifier les séquences d'ADN qui fournissent les informations d'ARN pour reconnaître, cibler et détruire les génomes viraux insérés par des virus. Au lieu des instructions pour rechercher et détruire les génomes viraux, les chercheurs ont plutôt implanté des informations codées dans des brins d'ADN qui pourraient plus tard être récupérés sous forme d'image.

Image illustrant les étapes de CRISPR créant une immunité aux génomes viraux. Les mêmes étapes sont utilisées pour coder des informations dans un brin d'ADN en divisant la séquence et en insérant un espaceur rempli de données. [Source de l'image:Université de Harvard]

Dans les travaux récemment publiés, les scientifiques utilisent le système immunitaire CRISPR pour coder une série d'images dans les brins d'ADN.

L'équipe de recherche a introduit son ADN codé dans des bactéries E. coli à une vitesse étonnamment lente d'une image par jour sur une période de cinq jours. Étant donné que le système CRISPR insère les extraits d'ADN codés de manière séquentielle, en examinant la position de chaque extrait le long des brins d'ADN, les chercheurs ont pu déterminer la position de chaque pixel.

«Nous avons conçu des stratégies qui traduisent essentiellement les informations numériques contenues dans chaque pixel d'une image ou d'un cadre ainsi que le numéro de l'image en un code ADN, qui, avec des séquences supplémentaires, est incorporé dans des espaceurs. Chaque cadre devient ainsi une collection d'entretoises », a déclaré Shipman. «Nous avons ensuite fourni des collections d'espaceurs pour des trames consécutives chronologiquement à une population de bactéries qui, en utilisant l'activité Cas1 / Cas2, les a ajoutées aux tableaux CRISPR dans leurs génomes. Et après avoir récupéré à nouveau tous les tableaux de la population bactérienne par séquençage ADN, nous avons finalement pu reconstruire toutes les images du film du cheval au galop et l'ordre dans lequel elles apparaissaient », explique Seth Shipman, un stagiaire postdoctoral qui a aidé Church dans la recherche.

Chaque pixel est étiqueté et codé dans un brin d'ADN séquentiellement, ce qui permet aux chercheurs d'extraire et de décoder les informations. [Source de l'image: Université de Harvard]

Encoder l'avenir de l'humanité dans l'ADN

C'est une technologie complexe, bien qu'elle permette aux chercheurs de cibler spécifiquement et d'insérer avec précision des ensembles de données à l'intérieur de l'ADN des organismes vivants, sans nuire aux cellules dans le processus.

«Dans cette étude, nous montrons que deux protéines du système CRISPR, Cas1 et Cas2, que nous avons intégrées à un outil d'enregistrement moléculaire, ainsi qu'une nouvelle compréhension des exigences de séquence pour des espaceurs optimaux, permettent un potentiel d'acquisition considérablement augmenté. mémoires et les déposer dans le génome comme des informations qui peuvent être fournies par des chercheurs de l'extérieur, ou qui, dans le futur, pourraient être formées à partir des expériences de cellules naturelles », explique Church. Il continue,

«Exploité davantage, cette approche pourrait présenter un moyen d'indiquer différents types de cellules vivantes dans leurs environnements tissulaires naturels pour enregistrer les changements formatifs qu'elles subissent dans un point chaud de mémoire créé synthétiquement dans leurs génomes.

Les chercheurs espèrent que ces techniques pourraient être utilisées pour permettre aux cellules d'enregistrer des informations vitales sur le fonctionnement des organes et d'autres systèmes corporels.

«Un jour, nous pourrons peut-être suivre toutes les décisions de développement qu'un neurone en différenciation prend d'une cellule souche précoce à un type de cellule hautement spécialisé dans le cerveau, conduisant à une meilleure compréhension de la façon dont les processus biologiques et développementaux de base sont chorégraphié », dit Shipman.

Peut-être qu'à l'avenir, les méthodes aideront les professionnels de la santé à détecter l'apparition précoce de la maladie et à mieux comprendre le fonctionnement interne du corps. Essentiellement, c'est un moyen pour les humains de se connecter et d'interagir avec le corps humain au niveau moléculaire. Ou, peut-être un peu plus bizarrement, programmez des films dans votre propre corps vivant.

La recherche n'en est qu'à ses débuts, bien qu'il s'agisse d'un domaine de recherche prometteur qui révolutionne la manière dont les médecins interagissent avec le corps humain.

ViaLa Gazette de Harvard

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Écrit par Maverick Baker


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