Heimvideos aus der Kindheit können herzerwärmend, urkomisch oder geradezu peinlich sein. Aber die Bänder enthalten eine unschätzbare Ressource: Ausschnitte aus der Reise eines Kindes, während es lernt, sich in der Welt zurechtzufinden. Sicher, Fotos können auch einen ersten Geburtstag oder einen ersten Sturz vom Fahrrad festhalten – aber es handelt sich nicht um einen Film, sondern um einzelne Momentaufnahmen.
Wissenschaftler haben lange versucht, DNA-„Camcorder“ in Zellen einzubetten, um ihre Geschichte festzuhalten. Wie Kinder wachsen, diversifizieren und reifen Zellen, während sie mit der Umwelt interagieren. Diese Veränderungen sind in die Genaktivität einer Zelle eingebettet, und indem Wissenschaftler sie im Laufe der Zeit rekonstruieren, können Wissenschaftler auf den aktuellen Zustand einer Zelle schließen – wird sie beispielsweise krebsartig?
Die Technologie „würde das Wissen über Entwicklungs- und Krebsbiologie vertiefen, das in therapeutische Strategien umgesetzt werden könnte“, sagte Dr. Nozomu Yachie und Kollegen an der University of British Columbia.
Das Problem? Der Aufnahmeprozess bestand bisher nur aus einzelnen Momentaufnahmen und zerstörte die Zelle, sodass ihr Wachstum nicht mehr verfolgt werden konnte.
Nun, ein Team unter der Leitung von Dr. Seth Shipman am UCSF Gladstone Institute konstruierte einen biologischen Rekorder– Retro-Cascorder genannt –, der wie ein alter Schulcamcorder die Genexpressionsgeschichte einer Zelle tagelang auf einem DNA-„Band“ festhalten kann. Dank CRISPR werden diese „Bänder“ dann in das später auslesbare Genom der Zelle integriert.
Die resultierenden Daten sind nicht genau Amerikas Funniest Home Videos. Vielmehr handelt es sich eher um ein Hauptbuch, das mehrere biologische Signale dokumentiert und sauber in chronologischer Reihenfolge speichert.
„Diese neue Art der Erfassung molekularer Daten ermöglicht uns ein beispielloses Fenster in Zellen“, sagte Reeder. Abgesehen vom Abhören der Entwicklungsgeschichte einer Zelle – zum Beispiel, wie sie sich von einer gewöhnlichen Stammzelle diversifiziert hat – könnte das Hinzufügen von Retro-Cascorder normale Zellen in lebende Biosensoren verwandeln, die auf Verschmutzung, Viren oder andere Verunreinigungen überwachen und gleichzeitig die Fähigkeit der DNA testen als ein zuverlässiger Datenspeicher.
Der Aufstieg der DNA-Bänder
Warum den Verlauf einer Zelle verfolgen?
Stellen Sie sich eine Zelle als Kind vor. Ausgehend von einer befruchteten Eizelle wächst sie heran, verändert ihr äußeres Erscheinungsbild – etwa in eine Hautzelle oder ein Neuron – und gibt als Fortpflanzungszelle genetische Informationen an ihre Kinder weiter. Die Reise einer Zelle durch das Leben wird nicht allein von ihrer Genetik bestimmt – vielmehr hängt die Art und Weise, wie ihre genetischen Anweisungen ausgeführt werden, von Interaktionen mit ihren zellulären Nachbarn und der Außenwelt ab: Ernährung, Bewegung, Stress und allem, was ihr menschlicher Wirt erlebt.
Diese Aufforderungen von Natur und Erziehung veranlassen eine Zelle, ein bestimmtes Muster von Genen zu aktivieren – ein Prozess, der als Genexpression bezeichnet wird. Alle unsere Zellen beherbergen den gleichen Satz von Genen; Was sie unterscheidet, ist, welche ein- oder ausgeschaltet sind. Die Genexpression ist enorm mächtig: Sie kann die Identität, Funktion und letztendlich die biologischen Prozesse, die das Leben steuern, einer Zelle verändern.
Es wäre toll, einen Blick in ihr Innenleben zu werfen.
Eine Möglichkeit ist der Snapshot-Ansatz. Mithilfe von „Omics“-Technologien – d. h. der gleichzeitigen Analyse von Millionen von Zellen auf Genexpression, Stoffwechsel oder andere Zustände – können wir eine hochauflösende Momentaufnahme einer Gruppe von Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt erhalten. Obwohl er stark ist, zerstört der Prozess die Probe. Der Grund dafür ist, dass das Lesen der in den Zellen gespeicherten Genexpressionsinformationen, eine als RNAseq bezeichnete Methode, das Aufbrechen der fettigen, sprudelnden Hülle der Zelle erfordert, um auf die Moleküle zuzugreifen und sie zu extrahieren. Stellen Sie sich vor, Sie richten das James-Webb-Teleskop auf einen beliebigen Punkt im Weltraum und wissen, dass das Teleskop alles auslöscht, was es sieht – ja, nicht großartig.
DNA-Bänder verfolgen einen anderen Ansatz. Wie ein Videoeditor „markieren“ sie die Ereignisse einer Zelle mit einem Strichcode aus DNA-Buchstaben – ein bisschen wie ein Zeitstempel. Shipman ist kein Unbekannter darin, DNA als Speichermedium zu verwenden. Damals, im Jahr 2017, arbeitete er mit dem synthetischen Biologen Dr. George Church in Harvard und seinem Team zusammen. sie codierten ein digitaler Film in das Genom lebender Bakterien mit CRISPR.
Ein DNA-Tagebuch
Die neue Studie hatte ein relativ einfaches Ziel: Beginnen Sie wie eine Kamera, die durch Bewegung ausgelöst wird, jedes Mal mit der Aufzeichnung, wenn sich ein bestimmtes Gen einschaltet.
Um Retro-Cascorder zu entwerfen, wandte sich das Team einem rätselhaften genetischen Element zu, den Retronen. Dies sind kleine Stücke bakterieller DNA, die Wissenschaftler jahrzehntelang verwirrten, bevor sie erkannten, dass sie Teil des Immunsystems eines Bakteriums sind. Zurück in 2021, Co-Autor Church transformierte Retrons aus einer seltsamen bakteriellen Eigenart in ein Gen-Editing-Tool das gleichzeitig Millionen von DNA-Variationen durchleuchten und deren Auswirkungen verfolgen kann. Entscheidend war, dass sie erkannten, dass Retrons als Tags verwendet werden können, um eine bestimmte genetische Veränderung zeitlich zu markieren.
Hier begann das Team damit, Retrons zu konstruieren, um spezifische DNA-Tags herzustellen – wie das Drucken einer Reihe von Barcodes zur Kennzeichnung von Paketen. Die Tags sind mit DNA-Promotoren verknüpft, die der Zelle wie eine Ampel das Okay geben, ein Gen anzuschalten.
Sobald sich ein Gen einschaltet, generiert das Retron automatisch einen eindeutigen Barcode, der seine Aktivität bestätigt. Es ist ein mehrstufiger Prozess: Das ursprünglich in DNA codierte Tag wird zuerst von der Zelle in RNA transkribiert und dann durch Retrons wieder in DNA-„Rezepte“ umgeschrieben.
Denken Sie an eine Restaurantkasse. Das entspricht dem Ausdrucken einer Bestellung zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einer Quittung.
Nachdem sich das Team vergewissert hatte, dass die Technologie wie erwartet funktioniert, wandte sich das Team der Erstellung von „Filmen“ einer Zelle mit retronbasierten Tags zu. Es ist kein Video im herkömmlichen Sinne: Das Team musste die Barcodes am Ende einer Aufnahmesitzung – etwa 24 Stunden lang – für die Wiedergabe noch analysieren, was die Zellen zerstörte.
Es ist relativ einfach, Änderungen der Genexpression in einer Momentaufnahme zu verfolgen. Es ist viel schwieriger, den Überblick über die gleichen Änderungen im Laufe eines Tages zu behalten. Um eine Art „Speicher“ für den Rekorder aufzubauen, wandte sich das Team an CRISPR-Cas. Hier fungieren CRISPR-Arrays als Tagebuch, während Retrons wie tägliche Einträge sind. Die durch Retrons erzeugten DNA-Rezepte werden in ein CRISPR-Array eingebaut. Wie Kassetten enthalten sie Daten, gefolgt von Abstandshaltern, wie ein schwarzer Bildschirm, um die Trennung von Ereignissen zu unterstützen. Wenn neue Informationen hinzugefügt werden, verschieben sich vorherige Abstandshalter weiter vom nächsten Eintrag weg, wodurch es möglich wird, eine Zeitachse von Ereignissen zu entschlüsseln.
Zellen mit der Fähigkeit, CRISPR zum Schreiben genetischer Daten zu verwenden, „können schrittweise zelluläre Ereignisse aufzeichnen … in DNA-Bändern“, sagte Yachie.
In einem Proof-of-Concept führte das Team Retro-Cascorder in Escherichia coli (E. Coli), die Lieblingsbakterien des Labors, durch Gentechnik. Die Integration des neuen Konstrukts war ein Kinderspiel für den Käfer und ein gutes Zeichen für die Wissenschaftler, da es wenig Stress oder Toxizität für die Zellen suggeriert.
Dann schalteten sie einen oder beide DNA-Promotoren mit Chemikalien ein, als würde man auf einem Walkman auf „Aufnahme“ klicken. Über 48 Stunden zeichnete das System die Veränderungen der Genexpression wie erwartet im CRISPR-Array auf. Nachdem sie sich weiter mit der Sequenz der CRISPR-Arrays befasst hatten – das heißt, sie anschließend zurückgelesen hatten – stellten sie fest, dass die Geschichte der Zelle wie erwartet fortschritt.
Eine ganze Geschichte von dir
Das neue DNA-Band ist wie das Aufnehmen kleiner Ausschnitte eines Films durch die Zeit. Aber es ist seltsam bearbeitet. Während der Retro-Cascorder die Abfolge von Genaktivierungen erkennen kann, kann er den Zeitablauf zwischen zwei benachbarten Ereignissen nicht lokalisieren. Wie in einem Heimvideo könnte ein Clip einer Tanzprobe mit anschließendem Abendessen am selben Tag sein; oder Jahre auseinander.
Aber im Vergleich zu früheren Versuchen ist das Band ein technologischer Sprung, mit besseren Signalen, längerer Aufnahmedauer und besserer Wiedergabe.
„Dies ist noch kein perfektes System, aber wir glauben, dass es immer noch besser sein wird als bestehende Methoden, die es Ihnen ermöglichen, jeweils nur ein Ereignis zu messen“, sagte Shipman.
Das Rennen um den perfekten Mobilfunk-Dokumentarfilmer hat begonnen, und die meisten haben CRISPR im Mittelpunkt. Für Yachie besteht eine Möglichkeit darin, das gute alte CRISPR durch zu ersetzen Basis-Editoren or CRISPR-Primzahl, die beide das Genom der Zelle weniger schädigen. Der biologische „VCR“ – der die aufgezeichnete Expression eines Gens zurückliest – benötigt ebenfalls ein Upgrade, das möglicherweise durch bessere Rechenleistung angetrieben wird.
Wenn sie perfektioniert sind, könnten uns DNA-Aufzeichnungsgeräte dabei helfen, den Entwicklungsweg von Minigehirnen und anderen Organoiden zu verfolgen, Krebszellen während ihrer Entwicklung zu untersuchen und auf Umweltschadstoffe in Zellen zu überwachen – alles ohne Leben aufs Spiel zu setzen.
Bild-Kredit: Immo Wegmann / Unsplash
