Wetenschappers hebben een aantal microben omgezet in wat ze de 'kleinste bandrecorder ter wereld' noemen: door te sleutelen aan de genen van een gewone laboratoriumstam vanEscherichia coli bacteriën, onderzoekers zeggen dat ze de bacteriën hebben kunnen overhalen om niet alleen hun interacties met de omgeving te loggen, maar ook om deze gebeurtenissen een tijdstempel te geven.
Deze kleine 'bandrecorders' - die werden beschreven in een nieuwe studie die op 23 november in het tijdschrift Science is gepubliceerd - kunnen helpen een nieuwe klasse van technologieën te ondersteunen die bacteriële cellen gebruiken om ziekten te diagnosticeren of verschuivingen in de omgeving te monitoren, allemaal zonder hun omgeving te verstoren .
"Dergelijke bacteriën, ingeslikt door een patiënt, kunnen mogelijk de veranderingen die ze ervaren door het hele spijsverteringskanaal registreren, waardoor ze een ongekend beeld krijgen van voorheen ontoegankelijke verschijnselen", aldus senior studie auteur Harris Wang, een assistent-professor aan de afdeling systeembiologie bij Columbia University Medical Center, zei in een verklaring.
De technologie achter de bandrecorders is de populaire tool voor genbewerking, CRISPR. De tool, waarmee wetenschappers in wezen DNA-sequenties kunnen uitknippen en vervangen door specifiek genetisch materiaal, werd oorspronkelijk ontdekt in bacteriën. CRISPR maakt deel uit van het immuunsysteem van bepaalde bacteriën - het kan DNA-fragmenten kopiëren van binnenvallende virussen, zodat toekomstige generaties bacteriën volgende aanvallen kunnen herkennen en afweren.
'Het systeem is een natuurlijk biologisch geheugenapparaat', zei Wang. "Vanuit technisch oogpunt is dat eigenlijk best leuk, omdat het al een systeem is dat door evolutie is aangescherpt om echt geweldig te zijn in het opslaan van informatie."
De microscopische recorder van het team bestaat uit een paar gen-dragende structuren die bekend staan als plasmiden. Het eerste, een "timing" -plasmide, markeert de tijd door bepaalde DNA-moleculen, nucleotiden genaamd, tot expressie te brengen in het CRISPR-gebied van het DNA van de bacterie. Het andere plasmide wordt gewijzigd om meer kopieën van zichzelf te maken, maar alleen als reactie op een extern signaal. Het resultaat is een lappendeken van achtergrondsequenties die tijd- en signaalsequenties vastleggen die worden ingevoegd als reactie op veranderingen in de celomgeving.
Als dat ingewikkeld klinkt, beschouw het dan als volgt: het timingplasmide drukt een "A" af met gespreide tijdsintervallen. Als er geen "extern signaal" is, zouden de wetenschappers alleen deze reeks A's zien. Maar als het tweede plasmide wordt ingeschakeld door een extern signaal, zal het zijn stempel in de reeks A's invoegen. Op basis van waar in die reeks de stempel van de tweede plasmiden verschijnt, kunnen de wetenschappers afleiden wanneer het externe signaal plaatsvond. Net als de strepen van gegevens in een magnetische tape, kunnen wetenschappers dit verder analyseren met behulp van computationele tools.
In het nieuwe onderzoek lieten de onderzoekers zien dat het systeem meerdere dagen minimaal drie gelijktijdige signalen kan opnemen. De volgende stap is het verkleinen van de doelen.
'Nu zijn we van plan om te kijken naar verschillende markers die kunnen worden gewijzigd bij veranderingen in natuurlijke of ziektetoestanden, in het maagdarmstelsel of elders', zei Wang.
