Выносливая микробная ДНК может быть капсулой времени на века

солеустойчивая Halobacterium salinarum

Информация была закодирована в ДНК штамма солеустойчивой Halobacterium salinarum. ДЖО ДЭВИС

Стив Надис

Джо Дэвис ищет идеальную капсулу времени. Он хочет сохранить историю человечества, которая могла бы выжить в течение многих веков, чтобы быть прочитанной наследниками Homo Sapiens на Земле или разумными инопланетянами. Он считает, что нашел подходящую среду: ДНК странного микроба, который живет в отложениях каменной соли. Он считает, что этот архив — защищенный солью и обновленный микробом — может существовать сотни миллионов лет.

Это провидческая идея, которая обязана искусству не меньше, чем науке. Дэвис, художник, связанный с биологической лабораторией Гарвардского университета, соединяет оба мира. Его проект сделал шаг вперед на прошлой неделе с исследованием, опубликованным на bioRxiv, хранилище препринтов. В ходе исследования Дэвис и его коллеги показали, что они могут кодировать информацию в ДНК Halobacterium salinarum( Hsal)—трудно убиваемого, солеустойчивого микроба, имеющего в среднем 25 резервных копий каждой из своих хромосом.

Другие исследователи исследовали потенциал хранения ДНК, которая упаковывает эквивалент около 300 мегабайт данных в ядро человеческой клетки. Но Дэвис сочетает эту способность с сопротивляемостью чрезвычайно выносливого организма. “Если вы хотите хранить данные в течение длительного времени, лучший способ сделать это — держать их внутри клеток и использовать клеточные механизмы для самовосстановления ДНК”, — говорит он. – “Они могут удобно и экономно воспроизводить себя практически без вмешательства извне.”

Джефф Нивала, биолог-инженер из Университета Вашингтона, Сиэтл, который изучает галофилы и хранение ДНК, соглашается. “Для архивного хранения на протяжении миллионов лет это может быть отличным приложением», — говорит он. “Если вся остальная жизнь на Земле будет уничтожена, а это единственное, что останется, возможно, эта информация сможет распространяться сама по себе.”

Дэвис не имеет формального образования в области биологии, за исключением одного курса в колледже Миссисипи в 1960-х гг. Но у него есть опыт превращения биологии в искусство исполнения, которое иногда приводит к науке.  В 1987 году для художественного предприятия под названием Microvenus он закодировал изображение женской формы в ДНК живых бактерий Escherichia coli — подвиг, который широко цитируется как первая экспериментальная демонстрация хранения данных ДНК.

Сейчас Дэвис работает с более жестким микробом, чем кишечная палочка. Hsal может выдерживать высыхание, экстремальные температуры, длительный вакуум и интенсивное излучение. Дэвис даже подверг его воздействию этиленоксида, ядовитого газа, используемого для стерилизации лабораторного оборудования, без видимых последствий. Hsal имеет криптонит: погружение в пресную воду взрывает его клетки. Но, погружаясь в соленые карманы в соляных кристаллах, размышляет Дэвис, Hsal может быть «тем, что не может умереть».

Для коммерческого хранения ДНК методы in vitro-инкапсулирование синтетической ДНК в стекло или нержавеющую сталь—являются более продвинутыми, чем подходы in vivo, говорит Эмили Лепруст, химик-органик и генеральный директор Twist Bioscience. Но живые существа могут сохранять ДНК дольше, говорит Дэвис, который возродил гибернирующие клетки Hsal из солевых отложений, которым сотни миллионов лет. Его коллега, Гарвардский генетик Джордж Черч, считает “вполне правдоподобным», что клетки, обнаруженные глубоко внутри стабильных кристаллов, все это время оставались в спящем состоянии. Клетки перестают расти, и их ДНК остается неизменной, за исключением постепенной деградации, говорит он. “Но они также могут быстро размножаться, когда им это нужно», — добавляет он, устраняя повреждения и создавая множество копий для работы с исследователями. “Так Hsal представляется хорошим выбором.”

Джоселин Дируджеро, биолог из Университета Джонса Хопкинса и эксперт Hsal, считает этот план «классной идеей».- Помимо того, что соль способна переносить стресс окружающей среды, она еще и хорошо удаляет активные формы кислорода, которые вредят ДНК. При минимальном количестве питательных веществ колония Хсал может зимовать в соли сотни тысяч лет или даже больше, говорит она. Микробы не будут расти или размножаться, говорит она, и будут использовать энергию только для ремонта и противодействия угрозам, таким как повреждение ДНК космическими лучами.

Первым шагом в новой работе было кодирование данных в Hsal. Дэвис выбрал координаты для трехмерного изображения иглы и яйцеобразных объектов в русской сказке о волшебнике, который спрятал свою душу в кончике иглы, спрятанной внутри яйца. После того, как Дэвис синтезировал ДНК, Александр Биссон, биолог из Университета Брандейса, прикрепил ее к участку в маленьком геноме, который не будет влиять на микроб или производить что-либо в клетке. Биссон поощрял модифицированных галобактерий к репликации и секвенированию их ДНК, чтобы гарантировать неизменность нового кода.

Чтобы узнать больше о потенциале микробов как капсул времени, Биссон изучает, как они ведут себя в кристаллах соли, что “в значительной степени является загадкой.” В течение 10 лет или более он планирует сравнить штаммы Hsal, заключенные в соль, с «родительскими» или контрольными штаммами, хранящимися в морозильной камере, чтобы увидеть, происходят ли какие-либо мутации в предположительно более активных штаммах соли. Эти данные помогут заполнить пустоту, хотя экстраполировать ее на миллионы лет “было бы натяжкой”, говорит он. Биссон также планирует использовать флуоресцентные белки,чтобы выяснить, остаются ли организмы в ловушке внутри солевых карманов, которые поддерживают их, или они перемещаются.

Дэвис не упустил из виду основную мотивацию проекта. “Какое наследие должен оставить человек как вид?- спрашивает он. Дэвис не претендует на знание; он планирует собрать информацию от ученых, историков, художников, поэтов и философов. Но он хочет сохранить больше, чем просто информацию. “Я хочу сохранить смысл”, — говорит он.

Следующее

Биологи определяют пути, которые увеличивают продолжительность жизни на 500%

Пн Мар 2 , 2020
Джарод А. Роллинс из биологической лаборатории MDI в Бар-Харборе, штат Мэн, является ведущим автором недавней научной статьи, в которой определены синергетические клеточные пути для долголетия, которые увеличивают продолжительность жизни в 5 раз у C. elegans, нематодного червя, используемого в качестве модели в исследованиях старения. Ученые из биологической лаборатории МДИ в […]
Джарод А. Роллинс из биологической лаборатории MDI в Бар-Харборе, штат Мэн