Hjemmevideoer fra barndommen kan være hjertevarmende, sjove eller direkte pinlige. Men båndene indeholder en uvurderlig ressource: uddrag af et barns rejse, mens de lærer at navigere i verden. Selvfølgelig kan billeder også fange en første fødselsdag eller et første fald af en cykel – men i stedet for en film er de enkelte snapshots i tiden.
Forskere har længe søgt at indlejre DNA-"videokameraer" i celler for at fange deres historie. Ligesom børn vokser, diversificerer og modnes celler, når de interagerer med miljøet. Disse ændringer er indlejret i en celles genaktivitet, og ved at rekonstruere dem over tid kan videnskabsmænd udlede en celles nuværende tilstand - for eksempel bliver den kræftfremkaldende?
Teknologien "ville uddybe viden om udviklings- og kræftbiologi, der kunne omsættes til terapeutiske strategier," sagde Dr. Nozomu Yachie og kolleger ved University of British Columbia.
Problemet? Optagelsesprocessen har til dato kun bestået af enkelte snapshots og har ødelagt cellen, hvilket gør det umuligt at spore dens vækst.
Nu er et team ledet af Dr. Seth Shipman ved UCSF Gladstone Institute konstrueret en biologisk optager— døbt Retro-Cascorder — der ligesom et gammeldags videokamera kan fange en celles genekspressionshistorie på et DNA-"bånd" i dagevis af gangen. Takket være CRISPR bliver disse "tapes" så integreret i cellens genom, som kan aflæses på et senere tidspunkt.
De resulterende data er ikke nøjagtigt Amerikas sjoveste hjemmevideoer. Det er snarere mere en hovedbog, der dokumenterer flere biologiske signaler og gemmer dem pænt i kronologisk rækkefølge.
"Denne nye måde at indsamle molekylære data på giver os et hidtil uset vindue ind til celler," sagde Skibsmand. Bortset fra at aflytte en celles udviklingshistorie - for eksempel hvordan den diversificerede sig fra en almindelig stamcelle - kunne tilføjelse af Retro-Cascorder transformere normale celler til levende biosensorer, der overvåger for forurening, vira eller andre forurenende stoffer, alt imens den tester DNA's evne som en pålidelig datalagringsenhed.
Fremkomsten af DNA-bånd
Hvorfor spore en celles historie?
Forestil dig en celle som barn. Fra et befrugtet æg vokser det, ændrer dets ydre udseende - til en hudcelle eller en neuron, for eksempel - og for reproduktive celler videregiver det genetisk information til sine børn. En celles rejse gennem livet er ikke bestemt af dens genetik alene - snarere, hvordan dens genetiske instruktioner udføres afhænger af interaktioner med både dens cellulære naboer og omverdenen: kost, motion, stress og alt, hvad dens menneskelige vært oplever.
Disse natur- og plejebeskeder udløser en celle til at aktivere et bestemt mønster af gener - en proces, der kaldes genekspression. Alle vores celler rummer det samme sæt gener; det, der gør dem forskellige, er, hvilke der er tændt eller slukket. Genekspression er enormt kraftfuld: den kan ændre en celles identitet, funktion og i sidste ende de biologiske processer, der styrer livet.
Det ville være dejligt at få et kig ind i deres indre funktioner.
En måde er snapshot-tilgangen. Ved at bruge "omics"-teknologier - det vil sige at analysere millioner af celler på samme tid for genekspression, metabolisme eller andre tilstande - kan vi få et øjebliksbillede i høj opløsning af en gruppe celler på et bestemt tidspunkt. Selvom den er kraftfuld, ødelægger processen prøven. Årsagen er, at læsning af genekspressionsinformationen gemt i cellerne, en metode kaldet RNAseq, kræver at nedbryde cellens fede, boblende hylster for at få adgang til og udvinde molekylerne. Forestil dig at pege med James Webb-teleskopet på et hvilket som helst tidspunkt i rummet, vel vidende at teleskopet vil udslette alt, hvad det ser - ja, ikke fantastisk.
DNA-bånd tager en anden tilgang. Som en videoredigerer "mærker" de en celles begivenheder med en stregkode, der består af DNA-bogstaver - lidt ligesom et tidsstempel. Shipman er ikke fremmed for at bruge DNA som lagringsenhed. Tilbage i 2017 arbejdede med syntetisk biolog Dr. George Church på Harvard og team, de kodede en digital film ind i genomet af levende bakterier ved hjælp af CRISPR.
En DNA-dagbog
Den nye undersøgelse havde et relativt simpelt mål: som et bevægelsesudløst kamera, begynde at optage hver gang et bestemt gen tændes.
For at designe Retro-Cascorder henvendte holdet sig til et gådefuldt genetisk element, retrons. Disse er små bidder af bakterielt DNA, der har svævet videnskabsmænd i årtier, før de indså, at de er en del af en bakteries immunsystem. Tilbage i 2021, medforfatter af undersøgelsen, Church transformerede retroner fra en mærkelig bakteriel særhed ind i et genredigeringsværktøj der kan screene millioner af DNA-variationer og følge deres virkninger på samme tid. Det var afgørende, at de indså, at retroner kan bruges som tags til at tidsstemple en bestemt genetisk ændring i tid.
Her begyndte holdet med at udvikle retroner til at producere specifikke DNA-tags - som at udskrive en række stregkoder for at markere pakker. Mærkerne er knyttet til DNA-promotorer, der ligesom et trafiklys giver cellen i orden at tænde et gen.
Når et gen tændes, genererer retronen automatisk en unik stregkode, der bekræfter dets aktivitet. Det er en flertrinsproces: tagget, der oprindeligt var kodet i DNA, transskriberes først til RNA af cellen og omskrives derefter tilbage til DNA-"kvitteringer" af retroner.
Tænk på et restaurantkasseapparat. Det svarer til at udskrive én ordre på et bestemt tidspunkt med én kvittering.
Efter at have verificeret, at teknologien fungerer som forventet, vendte teamet sig derefter til at lave "film" af en celle ved hjælp af retron-baserede tags. Det er ikke en video i traditionel forstand: holdet skulle stadig analysere stregkoderne i slutningen af en optagelsessession - omkring 24 timer - til afspilning, hvilket ødelægger cellerne.
At holde styr på ændringer i genekspression i et øjebliksbillede i tid er relativt simpelt. Det er langt sværere at holde styr på de samme ændringer i løbet af en dag. For at opbygge en slags "hukommelse" til optageren henvendte holdet sig til CRISPR-Cas. Her fungerer CRISPR-arrays som dagbogen, mens retroner som daglige posteringer. DNA-kvitteringerne, genereret af retroner, er inkorporeret i et CRISPR-array. Ligesom kassettebånd indeholder de data efterfulgt af afstandsstykker, som en sort skærm, for at hjælpe med at adskille begivenheder. Efterhånden som nye oplysninger tilføjes, flytter tidligere spacere sig længere væk fra den nærmeste indgang, hvilket gør det muligt at dechifrere en tidslinje af begivenheder.
Celler med evnen til at bruge CRISPR til at skrive genetiske data "kan progressivt registrere cellulære begivenheder ... på DNA-bånd," sagde Yachie.
I et proof-of-concept introducerede holdet Retro-Cascorder i Escherichia coli (E. Coli), laboratoriets yndlingsbakterier, gennem genteknologi. At inkorporere den nye konstruktion var en leg for fejlen og et godt tegn for forskerne, da det antyder lidt stress eller toksicitet for cellerne.
De tændte derefter den ene eller begge DNA-promotorer ved hjælp af kemikalier, som at klikke på "optag" på en Walkman. I løbet af 48 timer registrerede systemet genekspressionsændringer som forventet i CRISPR-arrayet. Efter at have gravet yderligere i sekvensen af CRISPR-arrays - det vil sige at have læst dem tilbage bagefter - fandt de ud af, at cellens historie skred frem som forventet.
En hel historie om dig
Det nye DNA-bånd er som at optage små udsnit af en film gennem tiden. Men det er underligt redigeret. Mens Retro-Cascorderen kan fortælle sekvensen af genaktiveringer, kan den ikke lokalisere timelapsen mellem to tilstødende begivenheder. Ligesom i en hjemmevideo kan et klip af en danseøvelse efterfulgt af en middag være på samme dag; eller års mellemrum.
Men sammenlignet med tidligere forsøg er båndet et teknologisk spring, med bedre signaler, længere optagelsesvarighed og bedre afspilning.
"Dette er ikke et perfekt system endnu, men vi tror, det stadig vil være bedre end eksisterende metoder, som kun sætter dig i stand til at måle en hændelse ad gangen," sagde Shipman.
Kapløbet om den perfekte mobildokumentarist er i gang, og de fleste har CRISPR i centrum. For Yachie er en måde at erstatte good-ole'-CRISPR med basis redaktører or CRISPR prime, som begge forårsager mindre skade på cellens genom. Den biologiske "VCR" - som aflæser et gens registrerede udtryk - har også brug for en opgradering, potentielt drevet af bedre computerevner.
Når de er mere perfektioneret, kan DNA-optagere hjælpe os med at spore udviklingsbanen for minihjerner og andre organoider, studere kræftceller, mens de udvikler sig, overvåge for miljøforurenende stoffer i celler - alt sammen uden at sætte liv på spil.
Billede Credit: Immo Wegmann / Unsplash
