Filmpje opgeslagen in levend DNA

Bio-informatica

Onderzoekers vertaalden de pixels van Muybridges klassieke paardenfilm in synthetisch DNA, opgeslagen in levende bacteriën.

Foto Seth Shipman

Gentech-tovenaar George Church van Harvard University laat de wereld deze woensdag zijn nieuwste kunsten zien. Church en zijn team bewaarden een filmpje op een onwaarschijnlijke plek: in het DNA van levende bacteriën.

Voor hun publicatie in Nature kozen ze de iconische beelden van een galopperend paard die de negentiende-eeuwse filmpionier Eadweard Muybridge (1830-1904) maakte om te onderzoeken of een paard in draf en galop ooit alle hoeven tegelijk van de grond heeft.

De onderzoekers vertaalden de pixels van een deel van dat filmpje in synthetisch DNA dat verder nergens voor codeert. Het zijn maar vijf frames en er zit bijna 10 procent aan fouten in.

Maar het filmpje verzekert Church van aandacht voor zijn ingewikkelde genetische hack. Ze gebruiken bacterie-DNA als opslagmedium voor informatie, en in hun artikel ontwikkelen ze de ‘programmeertaal’.

Data-opslag

Church en zijn drie mede-auteurs hinten in hun artikel op de mogelijkheid om levende bacteriën in de toekomst te gebruiken als data-opslag. Ze schrijven dat „dit systeem praktische hoeveelheden echte data stabiel kan opslaan”.

Toch lijkt het er niet op dat bacteriën in de afzienbare toekomst als harde schijven worden ingezet. De hoeveelheid data die in een kolonie bacteriën kan worden weggeschreven, is op dit moment niet „praktisch”, maar zeer beperkt: het Muybridge-filmpje is 2,6 kb groot. Daarbij: het aantal fouten (die bijna 10 procent) is „in de praktijk heel problematisch”, mailt bio-informaticus Yaniv Erlich van Columbia University in New York. En de stabiliteit van de data-opslag is slechts voor enkele dagen aangetoond.

Hoe vertaal je filmbeelden in bacterie-DNA?

Harvard-postdoc Seth Shipman, de eerste auteur van de studie, mailt desgevraagd vanuit Boston dat de opslagtechniek, anders dan het Nature-artikel suggereert, niet bedoeld is om externe informatie zoals filmpjes te bewaren. „Het is niet echt haalbaar om het systeem dat we hier beschrijven, te gebruiken als archief voor bestaande informatie”, vertelt de postdoc. Het gaat om heel iets anders. „We hopen dat dit uiteindelijk gebruikt kan worden om informatie op te slaan die we nog niet kennen, zoals wat er gebeurt binnenin een cel.”

Vorig jaar juni publiceerde hetzelfde team rond Church en Shipman in Science ook al over de techniek. Toen opperden de vier: als in de bacterie bepaalde genen actief worden, zou daar een soort kopie van kunnen worden gemaakt, die via het DNA-schrijfsysteem dat Church nu ontwikkelt, in het DNA terecht komt.

„Als onderzoeker zouden we die informatie op een later moment kunnen ophalen”, legt Seth Shipman uit. Hij suggereerde in Science zelfs dat de techniek uiteindelijk niet voor bacteriën bedoeld is, maar voor cellen van dieren, om weefselgroei of hersenactiviteit te volgen.

Als dat zou lukken, zou dat revolutionair zijn, maar Shipman heeft het nog niet uitgeprobeerd. In de nieuwe publicatie in Nature komt het Harvard-team dus niet dichter bij die celbiologische toepassing. Behalve een galopperend paard legden de vier een simpel plaatje van een mensenhand vast, in 21 grijstinten.

Hand, vóór programmeren in bacteriën. Foto Seth Shipman

En het resultaat. Foto Seth Shipman

Toch is het artikel niet alleen een PR-stunt. De publicatie draait om technische verbeteringen van de op DNA gebaseerde programmeertaal die het Harvard-team ontwikkelt.

De moeilijkheid van de levende data-opslag die George Church beoogt, is om de DNA-gegevens zo te formuleren dat een bacterie ze op eigen kracht in zijn genoom inbouwt. Dat kan via het crispr-cas-systeem. Dat systeem is bekend geworden als een gereedschap voor genetische manipulatie, maar het is van oorsprong een immuunsysteem van bacteriën. Als onderdeel van een immuunreactie slaat een bacterie kleine stukjes DNA van indringers op in zijn eigen genenpakket.

De stukjes synthetisch DNA die de bio-ICT’ers gebruiken, moeten zo gebouwd zijn dat crispr-cas ermee kan werken. Het Harvard-team laat hier zien dat dat kan met synthetisch DNA. Nu zullen ze moeten bewijzen dat hun techniek ook gegevens uit de cel kan opslaan. „We werken eraan”, vertelt postdoc Shipman.

Harde schijf

Maar zou dit data-opslagsysteem in bacteriën uiteindelijk toch gebruikt kunnen worden als harde schijf om er écht films of andere informatie in op te slaan? Zijn vakgenoot Yaniv Erlich in New York ziet daar wel degelijk iets in – ook al kent hij de huidige technische beperkingen. Hij presenteerde zelf dit voorjaar in Science een serieus systeem voor data-opslag in synthetisch DNA – niet in bacteriën dus, maar los in de vriezer. Bio-informatici zoals Erlich kijken daar verlangend naar uit: de informatiedichtheid van DNA per gram is ongeëvenaard, en DNA is onder goede omstandigheden eeuwen houdbaar.

Waarom zou je die DNA-kilobytes dan niet opslaan in bacteriën, in plaats van in de vrieskist, fantaseert Erlich. „Sommige bacteriën zijn bestand tegen extreme straling en hoge temperaturen. Je zou er een catastrofe-bestendige data-opslag kunnen maken. Of informatie in je eigen darmflora schrijven.” Maar, waarschuwt hij: „Alles wat ik noem is futuristisch.”