Cientistas codificam GIF animado em DNA

O que é uma fita de DNA senão dados? Com frequência pensamos em suas unidades, os As, Cs, Ts e Gs, como letras de palavras em um manual de instruções. Mas e se, em vez disso, pensássemos nelas como bits computacionais biológicos, guardando a menor unidade de informação? O que impede os cientistas de aproveitar o poder dessas unidades, usando a tecnologia biológica mais recente para tratar o DNA como um disco de gravação?

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Uma equipe de biólogos tirou vantagem do mecanismo de defesa bacteriana na qual o sistema de edição genética CRISPR se baseia para gravar um GIF animado, pixel por pixel, em uma população de bactérias. Mas o objetivo final não é criar DVDs biológicos. Em vez disso, eles esperam um dia usam essa tecnologia como um tipo de gravador biológico para manter o registro das células ou das mudanças em seu ambiente.

“Utilizamos imagens em filmes para mostrar o poder do sistema que queremos usar para capturar todos os tipos de atividade biológica no DNA”, disse o autor principal do estudo, Seth Shipman, da Harvard Medical School, ao Gizmodo. “A ideia é criar gravadores moleculares que funcionam nas células para capturar coisas nela ou em seu ambiente […] para que o experimentador não precise invadir e perturbar o sistema para coletar dados”.

Bactérias já utilizam as proteínas “Cas” associadas ao CRISPR para pegar pedaços de DNA de vírus e inserir em seus genomas como um mecanismo de defesa contra futuros ataques. Os pesquisadores tiraram vantagem do fato de que as proteínas sempre inserem novos materiais genéticos contra o material genético antigo. “Você acaba literalmente com registro físico de quais sequências foram colocadas lá e em qual ordem”, disse Shipman. “A informação do tempo efetivo é feita na ordem das sequências do genoma à medida que você o lê”. Então, eles fizeram filmes para mostrar o DNA como um “excelente meio para arquivar dados”, de acordo com o artigo publicado na revista Nature.

Os pesquisadores primeiro testaram o armazenamento de uma imagem de uma mão utilizando o DNA para converter informações de cores e pixels em conjuntos de pares de bases, aqueles As, Ts, Cs e Gs. Esse é, praticamente, o jeito que os genes codificam proteínas no DNA, mas nesse DNA customizado que eles fizeram, as sequências A, C, T, G correspondem a códigos de barras que determinam quais pixels devem ir em determinadas cores. Então, eles introduziram a sequência customizada em uma população de bactérias E. coli, criando poros temporários nas membranas das células com pulsos elétricos. Os dados traduzidos entram na bactéria, que os integra em seu genoma utilizando proteínas Cas. O time então cultiva a população de bactérias, e então as sequencia, lendo o DNA, e as traduz, recriando a imagem.

Codificar um GIF dentro da bactéria foi um processo mais complicado – muito embora a bactéria armazene os dados em ordem cronológica, a informação do GIF fica espalha entre muitas células. Os pesquisadores podem recuperar apenas a informação da ordem dos quadros de células únicas, de acordo com o artigo. Isso significa que recriar o filme exigia comparar o DNA de muitas células diferentes. Aqui está o GIF antes da inserção na bactéria e depois da reconstrução.

Imagem: Seth Shipman

Existem limitações que surgem quando você trabalha com um sistema vivo de armazenamento de dados, conta Shipman. Os cientistas estão tentando colocar muita informação nessas células, o que pode levar a pixels inoperantes ou erros – eles conseguiram reproduzir o GIF com 90% de precisão. Além disso, dado os métodos, quanto mais células eles liam novamente, mais preciso ficava o GIF; eles precisaram encontrar um ponto razoável para parar. Aqui um exemplo de como a reconstrução manual ficou melhor com o tempo:

Imagem: Seth Shipman

Outros pesquisadores com quem conversei acharam a pesquisa interessante. “Os métodos descritos não são tão novos, mas é uma aplicação superlegal”, disse o pesquisador Christopher Voigt do MIT ao Gizmodo, em um email. Recentemente ele desenvolveu uma bactéria capaz de fazer imagens coloridas. “Aqui, os autores utilizam síntese de DNA de baixo custo e ferramentas de edição genética para colocar a informação de imagens e filmes no genoma de uma célula viva. Todas as vezes que a célula se replica, uma nova cópia é feita. Um novo jeito de piratear material!”

Shipman espera utilizar esse método em aplicações biológicas – por exemplo, utilizando uma bactéria para detectar metais pesados no ambiente, e manter um registro de DNA desses contaminantes com o passar do tempo.

Imagem do topo: Seth Shipman