معلومة

ماذا يعني "كتابة صورة و GIF في الحمض النووي للبكتيريا"؟


نشرت بي بي سي نيوز مؤخرًا مقالًا جاء فيه:

تم ترميز صورة وفيلم قصير في الحمض النووي ، باستخدام وحدات الوراثة كوسيلة لتخزين المعلومات ... قام الفريق بتسلسل الحمض النووي البكتيري لاسترداد الصورة المتحركة والصورة ، للتحقق من أن الميكروبات قد دمجت البيانات بالفعل على النحو المنشود.

يعرض المقال الإخباري صورة ليد (معروضة أعلاه) وفيلم قصير (غير معروض هنا) لراكب حصان تم ترميزه في الحمض النووي "باستخدام أداة تحرير الجينوم المعروفة باسم Crispr [كذا]".

سؤالي ماذا يعني هذا؟ هل قام العلماء بتقسيم الصورة إلى 0 و 1 و (تثبيتها؟) في البكتيريا؟ كيف يقوم العالم (بتنزيل؟) صورة في البكتيريا ثم (إعادة تنزيل؟) الصورة لاحقًا؟ كيف يحتفظ الحمض النووي بمعلومات صورة يمكن (تنزيلها)؟


فقط لإضافة ما قد يكون مفقودًا في الإجابة الجميلة التي كتبهاiayork. أريد فقط إعطاء صورة أكثر بساطة عن الترميز الذي تم إجراؤه في بكتريا قولونية الحمض النووي.

  • أول من استراتيجية جامدة حيث تم تحديد ألوان 4 بكسل بقاعدة مختلفة ، لنفترض أن لدينا تسلسلًا:

    آجككتجتكاجكت

    تجاهل أول AAG وابدأ بالحرف C. الآن ، يمكن أن تمثل كل قاعدة من الحمض النووي عددًا ثنائيًا مكونًا من رقمين ، ثم يتوافق كل رقم مع لون ، مثل:

    ج = 00

    T = 01

    أ = 10

    ع = 11

    مع وضع هذه الإستراتيجية في الاعتبار ، فإن تسلسل CCCT سيعطي 00000001 بكسل (أو مجموعة بكسل) ، وهكذا مع نمو التسلسل. ستحدد هذه البيكسل لون أربع وحدات بكسل في الصورة. وبالتالي ، فإن كل قاعدة تتوافق مع بكسل في الصورة ، والقاعدة تحدد لون البكسل في صورة ذات 4 ألوان.

  • الآن ، دعنا نأتي إلى استراتيجية مرنة. لتبدأ ، انظر الجدول مرة أخرى:

    نحن هنا نستخدم أكواد قياسية من 3 قواعد. من القيمة المحددة مسبقًا لكل لون (من 1 إلى 21) ، يمكننا إيجاد اللون باستخدام الكودون. على سبيل المثال ، من نفس التسلسل:

    آجككتجتكاجكت

    تجاهل AAG مرة أخرى وابدأ بـ CCC. من الجدول ، ترميز CCC قيمة 1. انتقل إلى التالي ، TGG ترميز قيمة 16 ، TCA ترميز 10 وترميز GCT 7 ، وهكذا دواليك للتسلسلات الأطول. لذلك ، نحصل الآن على صورة ذات 4 بكسل ، أي 2 × 2 مع وحدات البكسل التي تحتوي على رمز اللون 1 ، 16 ، 10 ، 7. بهذه الطريقة ، يمكن أن يكون لكل بكسل لون من قيم محددة مسبقًا. عند استخراج هذه البيانات ، تظهر الصورة (من gizmodo):

تحدث الجزء أعلاه في الغالب عن الصورة المفردة لليد. الآن ، بالحديث عن GIF لركوب الخيل ، فإن العملية هي نفسها تقريبًا. هنا ، يتعين علينا تشفير 5 صور بدلاً من صورة واحدة. قام العلماء بترميز هذه الصور الخمس في 5 خلايا مختلفة. بعد تربيتهم لبعض الأجيال ، قاموا باستخراج معلومات جميع الصور (باستخدام أدوات المعلوماتية الحيوية القياسية) وقاموا بتجميعها للحصول على GIF مرة أخرى. تبدو صور GIF الأولية والنهائية على هذا النحو (من wired.com):

ماذا تفعل هؤلاء جامد و مرن يقصد؟

في هذه التقنية ، الشروط جامد و مرن تتعلق أكثر بالقاعدة الفردية بدلاً من الكودون. في ال جامد الاستراتيجية ، قيمة كل قاعدة ثابتة ، أي جامدة. على سبيل المثال ، في أي تسلسل ، ستقوم C بترميز القيمة "00" ، مهما كانت القاعدة التالية أو السابقة. هذا يعني أنه في كل من CCCT و GGTC ، فإن C لها قيمتها الصلبة "00". لذلك ، بالنسبة للصورة ذات 4 ألوان ، حيث تتوافق كل قاعدة بشكل صارم مع لون البكسل ، نحصل على عدد البكسل مثل القواعد في التسلسل.

من ناحية أخرى ، في مرن الإستراتيجية ، القواعد الفردية ليس لها قيمة ثابتة ، ويتم تحديد القيمة الإجمالية للبيكسيت من خلال جميع القواعد التي ترميز تلك البيكسيت. على سبيل المثال ، يشفر TCC قيمة 6 بينما يشفر CCC 1. قيمة القاعدة الفردية متدهورة (أو مرن) ، ومن هنا جاء الاسم استراتيجية مرنة.

وبالتالي ، باختصار ، في حين أن الإستراتيجية الصارمة أكثر فاعلية حيث يتم تحديد بكسل واحد بواسطة قاعدة واحدة (بينما في الإستراتيجية المرنة ، يتم تحديد بكسل واحد بواسطة كودون واحد) ، فإن الإستراتيجية المرنة مناسبة بشكل أفضل للحصول على المزيد من الصور الملونة منذ حصولك على المزيد من خيارات الألوان عن طريق زيادة عدد القواعد في الكودون (بينما تحصل فقط على 4 ألوان في إستراتيجية جامدة ، محددة بأربع قواعد).

لماذا نتجاهل AAG؟

كما يشيرcanadianer في إجابتهما ، فإن AAG هو امتداد بام أي Protospacer المجاورة عزر. بحسب ويكيبيديا:

إن الفكرة المجاورة لـ Protospacer (PAM) عبارة عن تسلسل من 2-6 زوج أساسي من الحمض النووي مباشرة بعد تسلسل الحمض النووي المستهدف بواسطة نوكلياز Cas9 في نظام المناعة التكيفية البكتيري CRISPR. PAM هو أحد مكونات الفيروس الغازي أو البلازميد ، ولكنه ليس أحد مكونات موضع كريسبر البكتيري.

بعبارات بسيطة (تجنب التفاصيل الفنية) ، يلزم إجراء PAM لتشغيل CRISPR ، ولكنها ليست جزءًا من التسلسل نفسه. مثل علامات الترقيم ، فهي ضرورية للتشغيل السليم لـ CRISPR ، ولكن لا يجب قراءتها لغرض التشفير / فك التشفير. بالنسبة إلى Cas9 الموجود في بكتريا قولونية (وهو الأكثر شيوعًا) ، فإن تسلسل AAG بمثابة PAM وبالتالي لا يستخدم لغرض التشفير هنا. تجنب العلماء أيضًا استخدام AAG في وحدات البكسل الخاصة بهم حتى لا يكون هناك أكثر من موقع واحد للتعرف على التكامل (تجاهل هذه النقطة إذا كنت غير مدرك لعمل CRISPR).

المرجعي: شيبمان ، S. ، Nivala ، J. ، Macklis ، J. and Church ، G. (2017). تشفير CRISPR-Cas لفيلم رقمي في جينومات مجموعة من البكتيريا الحية. طبيعة سجية. http://dx.doi.org/10.1038/nature23017


لم تكن الصورة موجودة في الحمض النووي على هذا النحو ، فقط كتمثيل تجريدي يمكن تحويله إلى صورة من معرفة الكود. باختصار ، قاموا بترميز الصورة إلى DNA ، باستخدام بضع استراتيجيات مختلفة يمثل فيها الحمض النووي البكسلات - إما بقاعدة DNA واحدة تمثل بكسل ، أو بثلاثة توائم يمثل بكسل. بمعرفة الكود الذي استخدموه ، يمكنهم بعد ذلك استخراج المعلومات وتحويلها مرة أخرى إلى صورة.

نقلاً عن المقال الأصلي ، تشفير CRISPR-Cas لفيلم رقمي في جينومات مجموعة من البكتيريا الحية:

بدأنا بالصورة وقيم البكسل المخزنة في شفرة نيوكليوتيد ... قمنا أولاً بتشفير صور يد بشرية باستخدام استراتيجيتين مختلفتين لتشفير قيمة البكسل: إستراتيجية صارمة ، حيث تم تحديد ألوان 4 بكسل بواسطة قاعدة مختلفة ؛ وإستراتيجية مرنة ، حيث تم تحديد 21 لونًا ممكنًا من ألوان البكسل من خلال جدول ثلاثي النوكليوتيدات المتحلل ... لتوزيع المعلومات عبر أجهزة أولية متعددة ، أعطينا كل بروتوسباكر رمزًا شريطيًا يحدد مجموعة البكسل (المشار إليها باسم "بيكسيت") التي تم ترميزها بواسطة النيوكليوتيدات في ذلك المباعد. تحدد أربعة نيوكليوتيدات كل بيكسل ، ويتم توزيع وحدات البكسل الخاصة بمجموعة بيكسلات معينة عبر الصورة ...

تم توضيح إستراتيجيتهم المكونة من 21 لونًا في هذا الشكل:

ملاحظة: الورق ليس مفتوح الوصول. إذا كنت ترغب في الحصول على نسخة كاملة الوصول ، فغالبًا ما يضع تشرش نسخًا متاحة مجانًا من أوراقه على موقع الويب الخاص به ؛ هذه الورقة ، رقم 441 في قائمته ، لا تزال معروضة كـ "قيد الصحافة" هناك ، ولكن تحقق مرة أخرى على فترات ، وربما تكون متاحة هناك.


منذ أن سأل عدد قليل من الناس لماذاAAGتم تجنب ثلاثي في ​​الكود ، اعتقدت أنني سأضيف هذا بالإضافة إلى الإجابات الأخرى. الجزء المثير للاهتمام من هذا البحث ليس بالضرورة ترميز الصورة ولكن بالأحرى كيفية استخدامهم لنظام كريسبر لدمج الحمض النووي المشفر في الجينوم. قد يكون من المفاجئ للبعض أن الصورة ليست مشفرة في سلسلة طويلة واحدة ولكن بسبب طبيعة النوع الأول من نظام كريسبر بكتريا قولونية، في 33 قطعة زوج أساسي تسمى protospacers (منها 27 قاعدة تستخدم للتشفير الفعلي ، مما يعطي 9 بكسل لكل فاصل). وبالتالي ، فإن الصورة الكاملة بحجم 30 × 30 بكسل تتطلب تكاملاً مستقرًا لـ 100 فاصل أولي (وإن لم يكن بالضرورة في خلية واحدة). تم تصنيع هذه المركبات الأولية (oligonucleotides) كيميائيًا ثم إدخالها في الخلايا عن طريق التثقيب الكهربائي.

استخدم تكامل هذه المركبات الأولية في موضع كريسبر الجينومي الإفراط في التعبير عن نوكليازات Cas1 و Cas2 غير المتجانسة. تتعرف هذه البروتينات على الحمض النووي الخارجي بشكل تفضيلي عندما يحيط به عنصر مرتبط بروتوسفاسر (PAM) ، والذي يكون في حالة نظام CRISPR المعنيAAG. يتعرف المجمع على PAM ويشق الحمض النووي الخارجي لتشكيل فاصل 33 نقطة أساس يتم إدخاله في الجينوم. بشكل مبسط ، يمكن تصوير شيء مثل هذا:

ومع ذلك ، ضع في اعتبارك الموقف الذي يتم فيه استخدام AAG لتشفير البكسل:

يؤدي هذا إلى إنشاء PAM داخلي قد يؤدي إلى فقدان المعلومات ، اعتمادًا على أي PAM يتم التعرف عليه. في الواقع ، تتمثل الفوائد الرئيسية لامتلاك رمز متدهور في تجنب مجموعات ثلاثية معينة تؤدي إلى PAMs داخليًا أو تكرار تسلسل (والتي تكون عرضة للخطأ في النسخ المتماثل).


المراجع / مزيد من القراءة:

Amitai G، Sorek R. 2016. تكييف CRISPR-Cas: نظرة ثاقبة على آلية العمل. نات ريف ميكروبيول 14: 67-76.

شيبمان SL ، Nivala J ، Macklis دينار ، الكنيسة GM. 2017. تشفير CRISPR-Cas لفيلم رقمي في جينومات مجموعة من البكتيريا الحية. طبيعة سجية.

Wang J ، Li J ، Zhao H ، Sheng G ، Wang M ، Yin M ، Wang Y. 2015. الأساس الهيكلي والميكانيكي لاقتناء المباعد المعتمدة على PAM في أنظمة CRISPR-Cas. الخلية 163: 840-853

ملاحظة: بالنسبة لأي شخص يهتم ، هذه الصور ليست صحيحة من الناحية الفنية ، لكن في الوقت الحالي ، لا أشعر بالرغبة في تغييرها. في الواقع ، لا يعد PAM جزءًا من الفاصل المعالج.


شاهد الفيديو: ماهو الحمض النووي وكيف يعمل (كانون الثاني 2022).