CRISPR adiciona armazenamento de filmes a seus feitos de biologia molecular

Reescrevendo a vida. Pesquisadores de Harvard incorporaram imagens nos genomas das bactérias para testar os limites do armazenamento em DNA. O curta-metragem está vivo e passa bem. Usando o atual sistema de edição de genes...

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Reescrevendo a vida. Pesquisadores de Harvard incorporaram imagens nos genomas das bactérias para testar os limites do armazenamento em DNA.

O curta-metragem está vivo e passa bem. Usando o atual sistema de edição de genes CRISPR, uma equipe de pesquisadores da Harvard University codificou imagens e um filme curto no DNA de bactérias vivas.

O trabalho faz parte de um esforço maior para usar o DNA para armazenar dados — de gravações de áudio e poesia a livros inteiros. No ano passado, Seth Shipman e seus colegas da Harvard adicionaram o CRISPR no conjunto de ferramentas de edição genética quando usaram esse sistema de edição para registrar dados moleculares no DNA de Escherichia coli.

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Agora, a equipe está aumentando suas apostas com imagens de uma mão humana e um filme curto, um “GIF” (um formato de imagem muito popular na internet criado em 1987 e usado atualmente para a transmissão de ícones e pequenas animações) de um cavalo galopante da obra Human and Animal Locomotion do fotógrafo da virada do século XIX, Eadweard Muybridge, mais precisamente na década de 1870. No código genético, as bases nucleotídicas que formam o DNA correspondem a valores de pixel em preto e branco. O vídeo foi codificado quadro a quadro. Uma vez sintetizado o DNA, a equipe de cientistas usou o CRISPR e duas proteínas Cas associadas (as Cas 1 e 2) para colocar os dados no código genético das colônias de E. coli.

Usando o CRISPR, os pesquisadores codificaram cinco quadros neste GIF de 36 por 26 pixels no DNA da bactéria E. coli. Eles então decodificaram as imagens de gerações posteriores de bactérias, nas quais os dados estavam em grande parte intactos (imagem original, esquerda, reconstruída a partir de bactérias, à direita).
Usando o CRISPR, os pesquisadores codificaram cinco quadros neste GIF de 36 por 26 pixels no DNA da bactéria E. coli. Eles então decodificaram as imagens de gerações posteriores de bactérias, nas quais os dados estavam em grande parte intactos (imagem original, esquerda, reconstruída a partir de bactérias, à direita).

Depois de cultivar a bactéria por várias gerações, os cientistas recuperaram o código para as imagens e para os quadros de filme e, assim, foram capazes de reconstruir os clipes. Cerca de 90% das informações codificadas ficaram intactas. Embora não seja um sistema de armazenamento perfeito, os resultados demonstram o potencial do CRISPR para esconder dados nos códigos genéticos de bactérias. Shipman e seus colegas publicaram a pesquisa na Nature de 12 de julho deste ano.

Memória genética

Na edição de 23 de janeiro de 2013 da revista Nature, pesquisadores europeus mostraram como o DNA poderia ser usado para armazenar diferentes tipos de informação. Isso incluiu arquivos de texto, uma imagem e até mesmo uma gravação de áudio. E o DNA é capaz de armazenar grandes quantidades de dados, esse estudo demonstrou.

O DNA pode ser encontrado em todas as células de todos os seres vivos. A molécula é um modelo químico que efetivamente instrui as células sobre como trabalhar. Como se conhecer o “projeto da vida” já não fosse suficientemente impressionante, agora considere isto: os cientistas mostraram que o DNA também oferece mais uma opção de armazenar dados.

Uma molécula de DNA parece uma escada torcida com degraus feitos de pares de moléculas conhecidas como nucleotídeos. Os principais produtos químicos nos nucleótidos de DNA são representados pelas letras A, T, C e G.

Na época da divulgação dessa edição da Nature, Drew Endy, que é engenheiro biológico da Universidade de Stanford e que não esteve envolvido com a pesquisa, disse “é verdadeiramente emocionante”. Nesse estudo os pesquisadores europeus não usaram DNA de um organismo vivo. Em vez disso, eles criaram um imitador de DNA sintético.

Você pode pensar nesses sistemas de armazenamento baseados em DNA como “pen drives” futuristas. Mas não tenha medo: as novas descobertas não sugerem que alguma versão desses gadgets estará em suas mãos. Os pesquisadores estão apenas usando a estrutura de materiais biológicos do seu polegar — e de outras partes do seu corpo — como inspiração para novos dispositivos. Esses sistemas de “DNA” construídos em laboratório poderiam um dia vencer a capacidade de armazenamento de dados de DVDs e dispositivos de armazenamento eletrônico.

Nessa pesquisa de 2013, os pesquisadores usaram o DNA construído em laboratório para armazenar coisas como uma fotografia e um arquivo de texto com todos os 154 sonetos escritos por William Shakespeare. Outro arquivo armazenado no novo “DNA” incluiu um trecho de áudio de 26 segundos do discurso “Eu tenho um sonho” de Martin Luther King, Jr.

O processo de armazenamento teve muitos passos. Primeiro, os pesquisadores converteram seus arquivos em código de computador. Então, eles traduziram esse código de computador para um outro código. E nesse novo código eles usaram aqueles nucleotídeos A, T, C e G do DNA. Os pesquisadores enviaram esse código para um laboratório em Santa Clara, Califórnia, e os cientistas de lá construíram bilhões de novas vertentes de DNA com base no código, colocando cada A, T, C e G em seu lugar. O laboratório então enviou o DNA de volta aos pesquisadores em um pequeno tubo de ensaio.

Para testar sua tecnologia, os pesquisadores europeus sequenciaram o DNA. Isso significa que eles descobriram a ordem codificada dos nucleotídeos. Nick Goldman, pesquisador do Instituto Europeu de Bioinformática de Hinxton, Inglaterra, liderou a pesquisa. Ele disse à Science News na época que as “gravações” de DNA voltaram sem erros. Isso significa que esses arquivos foram transferidos perfeitamente para o DNA e assim voltaram depois de serem copiados.

A informação é notavelmente compacta, o que significa que ocupa pouco espaço. Por exemplo, um desses sonetos de Shakespeare, estimaram os pesquisadores, poderia ser armazenado em menos de um trilionésimo de grama de DNA. “O DNA também é compacto, leve e pode permanecer intacto durante milhares de anos se armazenado em um ambiente escuro e arejado”, observou Rachel Ehrenberg na revista Science News.

O método, detalhado recentemente na Nature, é específico para bactérias, mas Yaniv Erlich, cientista de informática e biólogo da Universidade de Columbia, que não esteve envolvido no estudo, diz, à MIT Technology Review, que representa uma maneira escalonável de hospedar informações em células vivas e que, eventualmente, poderiam ser usadas em células humanas.

Até agora, grande parte da pesquisa sobre o uso de DNA para armazenamento envolveu DNA sintético feito por cientistas. E este GIF — apenas 36 por 26 pixels de tamanho — representa uma quantidade relativamente pequena de informações em comparação com o que os cientistas até agora conseguiram codificar em DNA sintético. Contudo, é mais difícil enviar informações em células vivas do que DNA sintetizado porque as células vivas estão constantemente em movimento, mudando, dividindo e morrendo.

Erlich diz que um benefício de hospedar dados em células vivas como bactérias é uma melhor proteção. Por exemplo, algumas bactérias ainda prosperam após explosões nucleares, exposição à radiação ou temperaturas extremamente altas.

Especialmente importante, a nova tecnologia pode evitar um problema potencial que todos os dispositivos de armazenamento experimentam hoje: tornando-se rapidamente desatualizado. Os dados armazenados em formatos de fita antigos como o Betamax estão todos ilegíveis porque as máquinas necessárias para lê-los não estão mais disponíveis. (Outro formato de fita, VHS, substituiu o Betamax. E os DVDs já substituíram esses dois.)

CRISPR também foi usado, na pesquisa recém publicada, para codificar esta imagem de uma mão em um genoma bacteriano.
CRISPR também foi usado, na pesquisa recém publicada, para codificar esta imagem de uma mão em um genoma bacteriano.

Mas “os seres humanos nunca vão parar de cuidar do DNA”, argumenta Endy. Ele disse àquela publicação em 2013 que, enquanto as pessoas sempre vão quer ler o DNA, os futuros dispositivos devem sempre serem capazes de ler os arquivos armazenados nele.

A tecnologia não é recente e vem sendo aperfeiçoada há alguns anos. Pesquisa similar àquela de 2013 foi relatada na Science em 2012. Mas a novidade é que agora os pesquisadores usaram a ferramenta de edição genética CRISPR-Cas. E ela também pode vir a ficar mais barata de usar.

Sensores vivos

O mundo moderno está gerando cada vez mais enormes quantidades de dados digitais, e os cientistas vêem o DNA como uma forma compacta e duradoura de armazenar essa informação. Afinal, DNA de milhares ou mesmo centenas de milhares de anos atrás ainda pode ser extraído e sequenciado em um laboratório. Alguns especialistas projetam que, dentro de dez anos ou pouco mais, as informações codificadas por DNA podem oferecer uma maneira razoavelmente barata de armazenar dados digitais por décadas ou, talvez, séculos.

A promessa de usar o DNA como armazenamento significa que possivelmente você salvará todas as fotos que você já tirou, toda a sua biblioteca do iTunes e todos os 839 episódios de Doctor Who em uma minúscula molécula invisível a olho nu — e com bastante espaço de sobra. E o melhor:  e se você pudesse manter toda essa informação digital em você o tempo todo e ainda integrada à sua pele?

O geneticista da Universidade Harvard George Church, que liderou a equipe do estudo recém divulgado na Nature, e seus colegas acham que isso poderá ser possível um dia.

Além de armazenar dados, Seth Shipman, um cientista que trabalha no laboratório de Church também em Harvard e co-autor do artigo divulgado esta semana, diz que quer usar a técnica para fazer “sensores vivos” que podem registrar o que está acontecendo dentro de uma célula ou em seu ambiente.

Mesmo que esta técnica não seja usada muita em breve para carregar grandes quantidades de dados em seu corpo, ela pode provar ser uma valiosa ferramenta de pesquisa. Um possível uso seria registrar os eventos moleculares que impulsionam a evolução dos tipos de células, como, por exemplo, a formação de neurônios durante o desenvolvimento do cérebro.

“O que realmente queremos fazer são células que codificam informações biológicas ou ambientais sobre o que está acontecendo dentro e em torno delas”, diz Shipman à MIT Technology Review.

Shipman diz que se pode colocar esses “discos rígidos de sequencia de DNA” no corpo ou em qualquer outro lugar que você queira, gravar algum dado que você possa estar interessado ou coletar o DNA das bactérias e sequenciá-lo para ver quais informações foram coletadas ao longo do caminho.

Mas seja como o sonho de consumo para as empresas tecnológicas que pensam que a biologia pode resolver um problema iminente de armazenamento de dados ou seja com a mais nova ferramenta de pesquisa que vira a trazer uma revolução semelhante à do CRISPR, muitos anos em pesquisas científicas ainda serão necessários. Um novo capítulo no futuro do DNA pode estar apenas começando.

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Referências: 

  1. SHIPMAN, Seth L. et al. CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria“, Nature, 12 de julho de 2017. <http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature23017> DOI:10.1038/nature23017. Acesso em 13/07/2017
  2. MULLIN, Emily. “Scientists Used CRISPR to Put a GIF Inside a Living Organism’s DNA“, MIT Technology Review, 12 de julho de 2017. <https://www.technologyreview.com/s/608268/scientists-used-crispr-to-put-a-gif-inside-living-dna/> Acesso em 13/07/2017.
  3. JIANG, Kevin. “Bringing CRISPR into Focus“, Harvard Medical School, 29 de junho de 2017, <https://hms.harvard.edu/news/bringing-crispr-focus> Acesso em 13/07/2017.
  4. EXTANCE, Andy. “How DNA could store all the world’s data“, Nature, 02 de setembro de 2016. <https://www.nature.com/news/how-dna-could-store-all-the-world-s-data-1.20496> Acesso em 13/07/2017.
  5. EXTANCE, Andy. “How DNA could store all the world’s data“, Science, 31 de agosto de 2016. <https://www.nature.com/news/how-dna-could-store-all-the-world-s-data-1.20496> Acesso em 15/07/2017.
  6. SHIPMAN, Seth L. et alMolecular recordings by directed CRISPR spacer acquisition“, Science, 09 de junho de 2016. <http://science.sciencemag.org/content/early/2016/06/08/science.aaf1175> Acesso em 15/07/2017.
  7. THOMPSON, Helen. “CRISPR adds storing movies to its feats of molecular biology“, Science News, 2017. <https://www.sciencenews.org/blog/science-ticker/crispr-adds-storing-movies-its-feats-molecular-biology> Acesso em 15/07/2017.
  8. ORNES, Stephen, “Genetic memory“, Science News, 2013. <https://www.sciencenewsforstudents.org/article/genetic-memory> Acesso em 15/07/2017.
  9. REGALADO, Antonio. “Microsoft Has a Plan to Add DNA Data Storage to Its Cloud“, MIT Technology Review, 22 de maio de 2017. <https://www.technologyreview.com/s/607880/microsoft-has-a-plan-to-add-dna-data-storage-to-its-cloud/> Acesso em 15/07/2017.

 

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