«Малювання» флуоресцентними маркерами вже давно є зручним способом виявлення унікальних дволанцюгових структур у ДНК. Колись палітра була обмежена лише 256 кольорами, тепер вчені можуть створювати приголомшливі витвори лабораторного мистецтва з неймовірними 16 мільйонами відтінків і відтінків.
Нова техніка точно відтворює цифрові зображення з 24-бітною глибиною кольору, і результати вражають.
Ось оригінальне цифрове зображення:
І «намальована» версія ДНК:
Це не просто новий мистецький формат. Підхід до малювання на основі мініатюрної ДНК є розширенням технології мікрочипів для вивчення експресії генів, і він також має інший потенціал.
Дослідники часто використовують твори мистецтва, щоб перевірити або продемонструвати методи, які пізніше можуть виявитися корисними в реальних програмах.
«Крім зображень, код кольору ДНК може мати дуже корисне застосування для зберігання даних на ДНК », — каже хімік Тадія Кекіч з Віденського університету.
Перетворення даних у послідовності ДНК, що зберігаються на чіпі, схоже на збереження інформації у штрих-коді. Цей новий метод від Кекіча та іншого хіміка Віденського університету, Джорі Лієтарда, може дозволити більший обсяг зберігання на меншій поверхні.
Їхня техніка настільки точна, що її можна використовувати для малювання мікрометрових елементів на біополімерах. Можливе використання включає біосенсори та діагностику, де тонко налаштований контроль самоскладання ДНК є вирішальним.
Величезна кількість інформації може зберігатися в ДНК у вигляді коду, що складається з послідовностей, що складаються з чотирьох хімічних основ – аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну. Кожна основа також відповідає партнеру, що забезпечує утворення комплементарних послідовностей у формі подвійного ланцюга.
Наявність однієї послідовності в руках дає вченим інструмент для пошуку відповідного партнера в заплутаному безладі. Аналітичні методи, засновані на послідовностях ДНК, приклеєних до твердої поверхні у вигляді сітки, називаються мікроматрицями ДНК , покладаються на кольорові флуоресцентні маркери, щоб показати, коли комплементарні ланцюги ДНК зв’язуються разом.
Цей процес, коли комплементарні ланцюги ДНК розпізнають один одного та зв’язуються разом у вигляді подвійних ланцюгів, відомий як гібридизація . Живі організми використовують прості стабільні правила гібридизації для читання та копіювання своєї генетичної інформації.
Щоб уявити, як ми можемо перетворити флуоресцентні послідовності ДНК на яскраві витвори мистецтва, може допомогти уявити, як сучасні кольорові дисплеї, такі як монітори телефонів і ноутбуків, створюють широкий діапазон кольорів.
Колір кожного пікселя в сітці вашого екрана складається з червоного, зеленого та синього основних каналів, і інтенсивність кожного каналу можна збільшити або зменшити, щоб отримати колір, який ви бачите.
Наявність невідповідностей між основами подвійного ланцюга по суті додає невелику кількість нестабільності до його гібридизації, змінюючи молекулярну структуру дволанцюгової ДНК.
Дослідники, які стоять за цією новою технікою флуоресцентної гібридизації, запрограмували нестабільність у нитки, щоб змінити яскравість їхніх флуоресцентних маркерів. Використовуючи різні барвники для різних кольорів і видаляючи основи, гібридизація на візерункових поверхнях ДНК може створити візерунки, які дуже легко побачити.
Спеціальні барвники (Cy3, Cy5 і флуоресцеїн) на фрагментах ДНК, які називаються зондами , створюють 256 відтінків світла в кожному з червоного, зеленого та синього каналів. Це створює схожий на повзунок сигнал флуоресценції між безкольоровим і повним кольором.
«По суті, наша синтезована поверхня стає полотном для малювання молекулами ДНК у мікрометровому масштабі», — каже Лієтар.
Щоб продемонструвати колірний діапазон, команда розділила цифрові зображення на три 8-бітні шари RGB і призначила послідовності ДНК для кожного значення пікселя. На мікрочипі розміром з ніготь ця техніка – синтез масиву без маски в поєднанні з фотолітографією – може синтезувати сотні тисяч унікальних послідовностей ДНК одночасно.
За допомогою пристрою із сотнями тисяч крихітних дзеркал, які відповідають пікселям зображення, і комп’ютерних сценаріїв понад 786 000 послідовностей ДНК можуть розміститися на поверхні мікроматриці у формі сітки. Це по одному на кожну одиницю пікселя розміром 14 x 14 мікрометрів у шарі RGB з інформацією про значення інтенсивності, закодованою в сегменті ДНК.
Сканування трьох крихітних мікроматриць або точно скомпонованих «полотнів ДНК», а потім цифрове об’єднання шарів дозволяє відтворити оригінальне зображення у більш ніж 16 мільйонах кольорів із роздільною здатністю 1024 x 768 пікселів. Команда вважає, що цей процес може бути розширений для роботи в Full HD і навіть 4K.
«Цифрові зображення можна відтворювати з високою точністю в мікрометричному масштабі за допомогою простого процесу», — пишуть автори .
Серед багатьох застосувань сигнали флуоресценції з вищою роздільною здатністю можуть призвести до більш точних вимірювань процесів, що відбуваються всередині нашого тіла, дозволяючи краще зрозуміти клітинну біологію та раннє виявлення таких захворювань, як рак .
Дослідження опубліковано в журналі Американського хімічного товариства