يمكن أن تكون مقاطع الفيديو المنزلية الخاصة بالطفولة دافئة أو مرحة أو محرجة تمامًا. لكن الأشرطة تحتوي على مورد لا يقدر بثمن: مقتطفات من رحلة طفل أثناء تعلمهم الإبحار حول العالم. بالتأكيد ، يمكن للصور أيضًا التقاط أول عيد ميلاد أو السقوط الأول من الدراجة أيضًا - ولكن بدلاً من فيلم ، فهي لقطات فردية في الوقت المناسب.
لطالما سعى العلماء إلى تضمين "كاميرات الفيديو" DNA في الخلايا لتسجيل تاريخها. مثل الأطفال ، تنمو الخلايا وتتنوع وتنضج لأنها تتفاعل مع البيئة. هذه التغييرات مضمنة في النشاط الجيني للخلية ، ومن خلال إعادة بنائها بمرور الوقت ، يمكن للعلماء استنتاج الحالة الحالية للخلية - على سبيل المثال ، هل تتحول إلى خلايا سرطانية؟
ستعمل هذه التكنولوجيا على تعميق المعرفة حول علم الأحياء التطوري والسرطان والتي يمكن ترجمتها إلى استراتيجيات علاجية ، محمد د. نوزومو ياتشي وزملاؤه في جامعة كولومبيا البريطانية.
المشكلة؟ تتألف عملية التسجيل ، حتى الآن ، من لقطات واحدة فقط وقد دمرت الخلية ، مما جعل من المستحيل تتبع نموها.
الآن ، فريق بقيادة الدكتور سيث شيبمان في معهد UCSF جلادستون مهندس مسجل بيولوجي- الملقب بـ Retro-Cascorder —يمكن ، مثل كاميرا الفيديو المدرسية القديمة ، التقاط تاريخ التعبير الجيني للخلية على "شريط" الحمض النووي ، لعدة أيام في كل مرة. بفضل تقنية CRISPR ، يتم دمج هذه "الأشرطة" في جينوم الخلية ، والتي يمكن قراءتها في وقت لاحق.
البيانات الناتجة ليست بالضبط أمريكا أطرف أشرطة الفيديو المنزلية. بدلا من ذلك ، هو أكثر من دفتر الأستاذ الذي يوثق إشارات بيولوجية متعددة ويخزنها بدقة بترتيب زمني.
"هذه الطريقة الجديدة لجمع البيانات الجزيئية تمنحنا نافذة غير مسبوقة على الخلايا ،" محمد شيبمان. بصرف النظر عن التنصت على التاريخ التطوري للخلية - على سبيل المثال ، كيف تنوعت من خلية جذعية مشتركة - فإن إضافة Retro-Cascorder يمكن أن يحول الخلايا الطبيعية إلى مستشعرات حيوية حية تراقب التلوث أو الفيروسات أو الملوثات الأخرى ، كل ذلك أثناء اختبار قدرة الحمض النووي جهاز تخزين بيانات موثوق.
ظهور أشرطة الحمض النووي
لماذا تتبع تاريخ الخلية؟
تخيل خلية كطفل. بدءًا من البويضة المخصبة ، تنمو وتغير مظهرها الخارجي - إلى خلية جلدية أو خلية عصبية ، على سبيل المثال - وللخلايا الإنجابية ، تمرر المعلومات الجينية إلى أطفالها. لا يتم تحديد رحلة الخلية في الحياة من خلال علم الوراثة الخاص بها فحسب - بل تعتمد الطريقة التي يتم بها تنفيذ تعليماتها الجينية على التفاعلات مع كل من جيرانها الخلويين والعالم الخارجي: النظام الغذائي والتمارين الرياضية والإجهاد وأي شيء يختبره الإنسان المضيف.
تحفز هذه الطبيعة والتنشئة الخلية على تنشيط نمط معين من الجينات - وهي عملية يطلق عليها التعبير الجيني. تحتوي جميع خلايانا على نفس مجموعة الجينات. ما يجعلهم مختلفين هو أي منها يتم تشغيله أو إيقاف تشغيله. يعتبر التعبير الجيني قويًا للغاية: يمكنه تغيير هوية الخلية ووظيفتها ، وفي النهاية العمليات البيولوجية التي تحكم الحياة.
سيكون من الرائع إلقاء نظرة خاطفة على أعمالهم الداخلية.
طريقة واحدة هي نهج اللقطة. باستخدام تقنيات "omics" - أي تحليل ملايين الخلايا في نفس الوقت للتعبير الجيني أو التمثيل الغذائي أو حالات أخرى - يمكننا الحصول على لقطة عالية الدقة لمجموعة من الخلايا في وقت معين. على الرغم من قوتها ، إلا أن العملية تدمر العينة. والسبب هو أن قراءة معلومات التعبير الجيني المخزنة داخل الخلايا ، وهي طريقة يطلق عليها اسم RNAseq ، تتطلب تحطيم الغلاف الدهني للخلية للوصول إلى الجزيئات واستخراجها. تخيل توجيه تلسكوب جيمس ويب في أي نقطة في الفضاء ، مع العلم أن التلسكوب سوف يمحو أي شيء يراه - نعم ، ليس رائعًا.
تتخذ أشرطة الحمض النووي نهجًا مختلفًا. مثل محرر الفيديو ، فإنهم "يميزون" أحداث الخلية برمز شريطي مكون من أحرف DNA - يشبه إلى حد ما الطابع الزمني. ليس غريباً على Shipman استخدام الحمض النووي كأداة تخزين. مرة أخرى في عام 2017 ، بالعمل مع عالم الأحياء الاصطناعية الدكتور جورج تشيرش في جامعة هارفارد وفريقه ، قاموا بترميزها فيلم رقمي في جينوم البكتيريا الحية باستخدام تقنية كريسبر.
يوميات الحمض النووي
كان للدراسة الجديدة هدف بسيط نسبيًا: مثل الكاميرا ذات الحركة المعطلة ، ابدأ بالتسجيل في أي وقت يتم فيه تشغيل جين معين.
لتصميم Retro-Cascorder ، تحول الفريق إلى عنصر وراثي غامض ، retrons. هذه قطع صغيرة من الحمض النووي البكتيري حيرت العلماء لعقود ، قبل أن يدركوا أنها تشكل جزءًا من الجهاز المناعي للبكتيريا. مرة أخرى في 2021، المؤلف المشارك في الدراسة تشيرش حولت retrons من نزوة بكتيرية غريبة في أداة تحرير الجينات يمكنها فحص ملايين الاختلافات في الحمض النووي ، ومتابعة آثارها في نفس الوقت. بشكل حاسم ، أدركوا أنه يمكن استخدام retrons كعلامات لتحديد الطابع الزمني لتغيير جيني معين في الوقت المناسب.
هنا ، بدأ الفريق بهندسة retrons لإنتاج علامات DNA محددة - مثل طباعة سلسلة من الباركود لتمييز الحزم. ترتبط العلامات بمحفزات الحمض النووي ، والتي ، مثل إشارة المرور ، تمنح الخلية الموافقة على تشغيل الجين.
بمجرد تشغيل الجين ، يقوم الريبرون تلقائيًا بإنشاء رمز شريطي فريد يصادق على نشاطه. إنها عملية متعددة الخطوات: العلامة ، التي تم ترميزها في الأصل في الحمض النووي ، يتم نسخها أولاً إلى RNA بواسطة الخلية ، ثم إعادة كتابتها مرة أخرى في "إيصالات" الحمض النووي بواسطة retrons.
فكر في سجل نقدي للمطعم. هذا يعادل طباعة طلب واحد ، في وقت معين ، بإيصال واحد.
بعد التحقق من أن التكنولوجيا تعمل كما هو متوقع ، تحول الفريق بعد ذلك إلى صنع "أفلام" لخلية باستخدام علامات تعتمد على retron. إنه ليس مقطع فيديو بالمعنى التقليدي: لا يزال يتعين على الفريق تحليل الرموز الشريطية في نهاية جلسة التسجيل - حوالي 24 ساعة - للتشغيل ، مما يؤدي إلى تدمير الخلايا.
يعد تتبع تغييرات التعبير الجيني في لقطة واحدة في الوقت المناسب أمرًا بسيطًا نسبيًا. يعد تتبع نفس التغييرات على مدار اليوم أكثر صعوبة. لبناء "ذاكرة" من نوع ما للمسجل ، لجأ الفريق إلى CRISPR-Cas. هنا ، تعمل مصفوفات CRISPR كمذكرات ، بينما تعمل retrons كمدخلات يومية. يتم دمج إيصالات الحمض النووي ، التي تم إنشاؤها بواسطة retrons ، في مجموعة CRISPR. مثل أشرطة الكاسيت ، فهي تحتوي على بيانات متبوعة بفواصل ، مثل شاشة سوداء ، للمساعدة في فصل الأحداث. مع إضافة معلومات جديدة ، تبتعد الفواصل السابقة عن أقرب مدخل ، مما يجعل من الممكن فك شفرة الجدول الزمني للأحداث.
قال ياتشي إن الخلايا التي لديها القدرة على استخدام تقنية "كريسبر" لكتابة البيانات الجينية "يمكنها تدريجيًا تسجيل الأحداث الخلوية ... في أشرطة الحمض النووي".
في إثبات المفهوم ، قدم الفريق Retro-Cascorder إلى كولاي (E. Coli) ، البكتيريا المفضلة للمختبر ، من خلال الهندسة الوراثية. كان دمج التركيبة الجديدة نسيمًا للخطأ ، وعلامة جيدة للعلماء ، لأنها تشير إلى القليل من الإجهاد أو السمية للخلايا.
ثم قاموا بتشغيل أي من معززات الحمض النووي أو كليهما باستخدام مواد كيميائية ، مثل النقر فوق "تسجيل" على جهاز Walkman. على مدار 48 ساعة ، سجل النظام تغييرات التعبير الجيني كما هو متوقع في مجموعة CRISPR. بعد مزيد من البحث في تسلسل مصفوفات كريسبر - أي قراءتها مرة أخرى بعد ذلك - وجدوا أن تاريخ الخلية تقدم كما هو متوقع.
تاريخ كامل لك
يشبه شريط الحمض النووي الجديد تسجيل قصاصات صغيرة من فيلم عبر الزمن. لكن تم تحريره بغرابة. بينما يمكن لـ Retro-Cascorder معرفة تسلسل تنشيط الجينات ، إلا أنه لا يمكنه تحديد الفاصل الزمني بين حدثين متجاورين. كما هو الحال في فيديو منزلي ، قد يكون مقطع من بروفة رقص يتبعها عشاء في نفس اليوم ؛ أو سنوات.
ولكن بالمقارنة مع المحاولات السابقة ، يعد الشريط قفزة تقنية ، مع إشارات أفضل ومدة تسجيل أطول وتشغيل أفضل.
قال شيبمان: "هذا ليس نظامًا مثاليًا حتى الآن ، لكننا نعتقد أنه لا يزال أفضل من الأساليب الحالية ، والتي تمكنك فقط من قياس حدث واحد في كل مرة".
السباق للحصول على وثائقي الهاتف الخلوي المثالي قيد التشغيل ، ومعظمهم مزود بتقنية CRISPR في مركزهم. بالنسبة لـ Yachie ، تتمثل إحدى الطرق في استبدال good-ole'-CRISPR بـ المحررين الأساسيين or كريسبر برايم، وكلاهما يسبب ضررًا أقل لجينوم الخلية. يحتاج "VCR" البيولوجي - الذي يقرأ مرة أخرى التعبير المسجل للجين - إلى ترقية ، يحتمل أن تكون مدعومة ببراعة حوسبة أفضل.
عندما نكون أكثر إتقانًا ، يمكن أن تساعدنا مسجلات الحمض النووي على تتبع مسار تطور الأدمغة الصغيرة والعضوية الأخرى ، ودراسة الخلايا السرطانية أثناء تطورها ، ومراقبة الملوثات البيئية في الخلايا - كل ذلك دون تعريض الأرواح للخطر.
الصورة الائتمان: إمو ويجمان / Unsplash
