Τα οικιακά βίντεο της παιδικής ηλικίας μπορεί να είναι συγκινητικά, ξεκαρδιστικά ή εντελώς ενοχλητικά. Αλλά οι κασέτες περιέχουν έναν ανεκτίμητο πόρο: αποσπάσματα από το ταξίδι ενός παιδιού καθώς μαθαίνει να περιηγείται στον κόσμο. Σίγουρα, οι φωτογραφίες μπορούν επίσης να απαθανατίσουν τα πρώτα γενέθλια ή την πρώτη πτώση από το ποδήλατο - αλλά αντί για ταινία, είναι μεμονωμένα στιγμιότυπα στο χρόνο.
Οι επιστήμονες προσπάθησαν εδώ και καιρό να ενσωματώσουν «βιντεοκάμερες» DNA σε κύτταρα για να καταγράψουν την ιστορία τους. Όπως τα παιδιά, τα κύτταρα αναπτύσσονται, διαφοροποιούνται και ωριμάζουν καθώς αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Αυτές οι αλλαγές είναι ενσωματωμένες στη γονιδιακή δραστηριότητα ενός κυττάρου και με την ανακατασκευή τους με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν την τρέχουσα κατάσταση ενός κυττάρου — για παράδειγμα, γίνεται καρκινικό;
Η τεχνολογία «θα εμβαθύνει τη γνώση για την αναπτυξιακή βιολογία και τη βιολογία του καρκίνου που θα μπορούσε να μεταφραστεί σε θεραπευτικές στρατηγικές». είπε Ο Δρ. Nozomu Yachie και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας.
Το πρόβλημα? Η διαδικασία εγγραφής, μέχρι σήμερα, αποτελείται μόνο από μεμονωμένα στιγμιότυπα και έχει καταστρέψει το κύτταρο, καθιστώντας αδύνατη την παρακολούθηση της ανάπτυξής του.
Τώρα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Δρ Σεθ Σίπμαν στο Ινστιτούτο UCSF Gladstone κατασκεύασε έναν βιολογικό καταγραφέα—με το όνομα Retro-Cascorder— που, όπως μια παλιά σχολική βιντεοκάμερα, μπορεί να καταγράψει το ιστορικό γονιδιακής έκφρασης ενός κυττάρου σε μια «κασέτα» DNA, για μέρες κάθε φορά. Χάρη στο CRISPR, αυτές οι «ταινίες» στη συνέχεια ενσωματώνονται στο γονιδίωμα του κυττάρου, το οποίο μπορεί να διαβαστεί αργότερα.
Τα δεδομένα που προκύπτουν δεν είναι ακριβώς Τα πιο ευχάριστα αρχικά βίντεο της Αμερικής. Μάλλον, είναι περισσότερο ένα καθολικό που τεκμηριώνει πολλαπλά βιολογικά σήματα και τα αποθηκεύει προσεκτικά με χρονολογική σειρά.
"Αυτός ο νέος τρόπος συλλογής μοριακών δεδομένων μας δίνει ένα άνευ προηγουμένου παράθυρο σε κύτταρα." είπε Shipman. Εκτός από την υποκλοπή στο ιστορικό ανάπτυξης ενός κυττάρου - για παράδειγμα, πώς διαφοροποιήθηκε από ένα κοινό βλαστοκύτταρο - η προσθήκη του Retro-Cascorder θα μπορούσε να μετατρέψει τα φυσιολογικά κύτταρα σε ζωντανούς βιοαισθητήρες που παρακολουθούν τη ρύπανση, τους ιούς ή άλλους ρύπους, ενώ ταυτόχρονα δοκιμάζεται η ικανότητα του DNA ως μια αξιόπιστη συσκευή αποθήκευσης δεδομένων.
The Rise of DNA Tapes
Γιατί να παρακολουθείτε το ιστορικό ενός κυττάρου;
Φανταστείτε ένα κελί σαν παιδί. Ξεκινώντας από ένα γονιμοποιημένο ωάριο, μεγαλώνει, αλλάζει την εξωτερική του εμφάνιση - σε κύτταρο δέρματος ή νευρώνα, για παράδειγμα - και για τα αναπαραγωγικά κύτταρα, μεταδίδει γενετικές πληροφορίες στα παιδιά του. Το ταξίδι ενός κυττάρου στη ζωή δεν καθορίζεται μόνο από τη γενετική του – μάλλον, ο τρόπος με τον οποίο εκτελούνται οι γενετικές οδηγίες εξαρτάται από τις αλληλεπιδράσεις τόσο με τους κυτταρικούς γείτονές του όσο και με τον έξω κόσμο: διατροφή, άσκηση, στρες και οτιδήποτε βιώνει ο ανθρώπινος ξενιστής του.
Αυτές οι προτροπές φύσης και τροφής ενεργοποιούν ένα κύτταρο να ενεργοποιήσει ένα συγκεκριμένο πρότυπο γονιδίων - μια διαδικασία που ονομάζεται έκφραση γονιδίου. Όλα τα κύτταρά μας διαθέτουν το ίδιο σύνολο γονιδίων. Αυτό που τα κάνει διαφορετικά είναι ποια είναι ενεργοποιημένα ή απενεργοποιημένα. Η γονιδιακή έκφραση είναι εξαιρετικά ισχυρή: μπορεί να αλλάξει την ταυτότητα ενός κυττάρου, τη λειτουργία και, τελικά, τις βιολογικές διεργασίες που διέπουν τη ζωή.
Θα ήταν υπέροχο να ρίξετε μια ματιά στο εσωτερικό τους.
Ένας τρόπος είναι η προσέγγιση στιγμιότυπου. Χρησιμοποιώντας τεχνολογίες "omics" - δηλαδή, αναλύοντας εκατομμύρια κύτταρα ταυτόχρονα για έκφραση γονιδίων, μεταβολισμό ή άλλες καταστάσεις - μπορούμε να πάρουμε ένα στιγμιότυπο υψηλής ανάλυσης μιας ομάδας κυττάρων σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Ενώ είναι ισχυρή, η διαδικασία καταστρέφει το δείγμα. Ο λόγος είναι επειδή η ανάγνωση των πληροφοριών γονιδιακής έκφρασης που είναι αποθηκευμένες μέσα στα κύτταρα, μια μέθοδος που ονομάζεται RNAseq, απαιτεί τη διάσπαση του λιπαρού, φυσαλιδώδους φακέλου του κυττάρου για πρόσβαση και εξαγωγή των μορίων. Φανταστείτε να κατευθύνετε το τηλεσκόπιο James Webb σε οποιοδήποτε σημείο στο διάστημα, γνωρίζοντας ότι το τηλεσκόπιο θα εξαλείψει οτιδήποτε δει - ναι, όχι σπουδαίο.
Οι ταινίες DNA έχουν διαφορετική προσέγγιση. Σαν ένα πρόγραμμα επεξεργασίας βίντεο, «επισημαίνουν» τα συμβάντα ενός κυττάρου με έναν γραμμωτό κώδικα που αποτελείται από γράμματα DNA—κάπως σαν χρονική σήμανση. Ο Shipman δεν είναι άγνωστος στη χρήση του DNA ως συσκευής αποθήκευσης. Πίσω το 2017, συνεργαζόμενος με τον συνθετικό βιολόγο Dr. George Church στο Χάρβαρντ και την ομάδα του, κωδικοποίησαν μια ψηφιακή ταινία στο γονιδίωμα των ζωντανών βακτηρίων χρησιμοποιώντας CRISPR.
Ένα Ημερολόγιο DNA
Η νέα μελέτη είχε έναν σχετικά απλό στόχο: όπως μια κάμερα με κίνηση, ξεκινήστε την εγγραφή κάθε φορά που ένα συγκεκριμένο γονίδιο ενεργοποιείται.
Για να σχεδιάσει το Retro-Cascorder, η ομάδα στράφηκε σε ένα αινιγματικό γενετικό στοιχείο, τα ρετρόν. Αυτά είναι μικρά κομμάτια βακτηριακού DNA που ταλαιπώρησαν τους επιστήμονες για δεκαετίες, πριν συνειδητοποιήσουν ότι αποτελούν μέρος του ανοσοποιητικού συστήματος ενός βακτηρίου. Επιστροφή στην 2021, η συν-συγγραφέας της μελέτης Church μεταμόρφωσε τους ρετρόν από μια περίεργη βακτηριακή ιδιορρυθμία σε ένα εργαλείο επεξεργασίας γονιδίων που μπορεί να ελέγξει εκατομμύρια παραλλαγές του DNA και να παρακολουθήσει τα αποτελέσματά τους ταυτόχρονα. Το σημαντικότερο είναι ότι συνειδητοποίησαν ότι τα ρετρόν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ετικέτες για τη χρονική σήμανση μιας συγκεκριμένης γενετικής αλλαγής στο χρόνο.
Εδώ, η ομάδα άρχισε να κατασκευάζει ρετρόν για να παράγει συγκεκριμένες ετικέτες DNA—όπως την εκτύπωση μιας σειράς γραμμωτών κωδίκων για τη σήμανση συσκευασιών. Οι ετικέτες συνδέονται με προαγωγείς DNA, οι οποίοι, όπως ένα φανάρι, δίνουν στο κύτταρο το δικαίωμα να ενεργοποιήσει ένα γονίδιο.
Μόλις ενεργοποιηθεί ένα γονίδιο, το ρετρόν δημιουργεί αυτόματα έναν μοναδικό γραμμωτό κώδικα που πιστοποιεί τη δραστηριότητά του. Είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων: η ετικέτα, που κωδικοποιήθηκε αρχικά στο DNA, μεταγράφεται πρώτα σε RNA από το κύτταρο και στη συνέχεια ξαναγράφεται σε «εισπράξεις» DNA από τους retrons.
Σκεφτείτε μια ταμειακή μηχανή εστιατορίου. Αυτό ισοδυναμεί με την εκτύπωση μιας παραγγελίας, σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, με μια απόδειξη.
Αφού επαλήθευσε ότι η τεχνολογία λειτουργεί όπως αναμενόταν, η ομάδα στράφηκε στη συνέχεια στη δημιουργία «ταινιών» ενός κυττάρου χρησιμοποιώντας ετικέτες που βασίζονται σε ρετρόν. Δεν είναι βίντεο με την παραδοσιακή έννοια: η ομάδα έπρεπε ακόμα να αναλύσει τους γραμμωτούς κώδικες στο τέλος μιας ηχογράφησης —περίπου 24 ώρες— για αναπαραγωγή, γεγονός που καταστρέφει τα κελιά.
Η παρακολούθηση των αλλαγών της γονιδιακής έκφρασης σε ένα στιγμιότυπο στο χρόνο είναι σχετικά απλή. Η παρακολούθηση των ίδιων αλλαγών κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι πολύ πιο δύσκολη. Για να δημιουργήσει μια «μνήμη» για τον καταγραφέα, η ομάδα στράφηκε στο CRISPR-Cas. Εδώ, οι συστοιχίες CRISPR λειτουργούν ως το ημερολόγιο, ενώ τα ρετρό σαν σαν καθημερινές καταχωρήσεις. Οι αποδείξεις DNA, που δημιουργούνται από ρετρόν, ενσωματώνονται σε μια συστοιχία CRISPR. Όπως και οι κασέτες, περιέχουν δεδομένα ακολουθούμενα από διαχωριστικά, όπως μια μαύρη οθόνη, για να βοηθήσουν στο διαχωρισμό των γεγονότων. Καθώς προστίθενται νέες πληροφορίες, οι προηγούμενοι διαχωριστές μετακινούνται πιο μακριά από την πλησιέστερη καταχώρηση, καθιστώντας δυνατή την αποκρυπτογράφηση μιας χρονογραμμής γεγονότων.
Κύτταρα με την ικανότητα να χρησιμοποιούν το CRISPR για να γράφουν γενετικά δεδομένα «μπορούν να καταγράφουν προοδευτικά κυτταρικά συμβάντα… σε ταινίες DNA», είπε ο Yachie.
Σε μια απόδειξη της ιδέας, η ομάδα εισήγαγε το Retro-Cascorder Escherichia coli (E. Coli), τα αγαπημένα βακτήρια του εργαστηρίου, μέσω της γενετικής μηχανικής. Η ενσωμάτωση της νέας κατασκευής ήταν ένα αεράκι για το ζωύφιο και ένα καλό σημάδι για τους επιστήμονες, καθώς υποδηλώνει μικρό άγχος ή τοξικότητα στα κύτταρα.
Έπειτα ενεργοποίησαν έναν ή και τους δύο προαγωγείς DNA χρησιμοποιώντας χημικές ουσίες, όπως κάνοντας κλικ στο "record" σε ένα Walkman. Σε διάστημα 48 ωρών, το σύστημα κατέγραψε αλλαγές γονιδιακής έκφρασης όπως αναμενόταν στη διάταξη CRISPR. Αφού έψαξαν περαιτέρω την ακολουθία των συστοιχιών CRISPR —δηλαδή, την ανάγνωσή τους εκ των υστέρων— διαπίστωσαν ότι το ιστορικό του κυττάρου προχώρησε όπως αναμενόταν.
Μια Ολόκληρη Ιστορία Σου
Η νέα κασέτα DNA είναι σαν να ηχογραφείς μικρά αποσπάσματα μιας ταινίας μέσα στο χρόνο. Αλλά είναι περίεργα επεξεργασμένο. Ενώ το Retro-Cascorder μπορεί να πει την αλληλουχία των γονιδιακών ενεργοποιήσεων, δεν μπορεί να προσδιορίσει με ακρίβεια το timelapse μεταξύ δύο παρακείμενων γεγονότων. Όπως σε ένα βίντεο στο σπίτι, ένα κλιπ από μια πρόβα χορού που ακολουθείται από ένα δείπνο μπορεί να είναι την ίδια μέρα. ή χρόνια διαφορά.
Σε σύγκριση όμως με προηγούμενες προσπάθειες, η κασέτα είναι ένα τεχνολογικό άλμα, με καλύτερα σήματα, μεγαλύτερη διάρκεια εγγραφής και καλύτερη αναπαραγωγή.
"Αυτό δεν είναι ακόμα ένα τέλειο σύστημα, αλλά πιστεύουμε ότι θα είναι ακόμα καλύτερο από τις υπάρχουσες μεθόδους, οι οποίες σας επιτρέπουν να μετράτε μόνο ένα συμβάν τη φορά", δήλωσε ο Shipman.
Ο αγώνας για τον τέλειο ντοκιμαντέρ για το κινητό έχει ξεκινήσει και οι περισσότεροι έχουν το CRISPR στο επίκεντρό τους. Για τον Yachie, ένας τρόπος είναι να αντικαταστήσετε το good-ole'-CRISPR με βασικοί συντάκτες or CRISPR prime, και τα δύο προκαλούν λιγότερη βλάβη στο γονιδίωμα του κυττάρου. Το βιολογικό "VCR" - το οποίο διαβάζει την καταγεγραμμένη έκφραση ενός γονιδίου - χρειάζεται επίσης μια αναβάθμιση, δυνητικά τροφοδοτούμενη από καλύτερη υπολογιστική ικανότητα.
Όταν τελειοποιηθούν, οι καταγραφείς DNA θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να παρακολουθήσουμε την αναπτυξιακή τροχιά των μίνι εγκεφάλων και άλλων οργανοειδών, να μελετήσουμε τα καρκινικά κύτταρα καθώς εξελίσσονται, να παρακολουθήσουμε για περιβαλλοντικούς ρύπους στα κύτταρα - όλα αυτά χωρίς να θέσουμε σε κίνδυνο ζωές.
Image Credit: Immo Wegmann / Unsplash
