Lapsepõlve koduvideod võivad olla südantsoojendavad, lõbusad või lausa piinlikud. Kuid lindid sisaldavad hindamatut ressurssi: katkendeid lapse teekonnast, kui nad õpivad maailmas navigeerima. Muidugi võivad fotod jäädvustada ka esimest sünnipäeva või esimest ratta seljast kukkumist, kuid pigem on need üksikud ajas tehtud pildid.
Teadlased on pikka aega püüdnud manustada rakkudesse DNA "videokaameraid", et jäädvustada nende ajalugu. Sarnaselt lastele kasvavad, mitmekesistuvad ja küpsevad rakud keskkonnaga suhtlemisel. Need muutused on seotud raku geenitegevusega ja neid aja jooksul rekonstrueerides saavad teadlased järeldada raku hetkeseisundit – näiteks kas see muutub vähiks?
Tehnoloogia "süvendaks teadmisi arengu- ja vähibioloogiast, mida saaks terapeutilisteks strateegiateks tõlkida". ütles Dr Nozomu Yachie ja kolleegid Briti Columbia ülikoolist.
Probleem? Salvestusprotsess on siiani koosnenud ainult üksikutest hetktõmmistest ja on raku hävitanud, muutes selle kasvu jälgimise võimatuks.
Nüüd UCSF Gladstone'i instituudi dr Seth Shipmani juhitud meeskond konstrueerinud bioloogilise salvesti- nimega Retro-Cascorder -, mis nagu vana kooli videokaamera suudab jäädvustada raku geeniekspressiooni ajalugu DNA "lindile" päevade kaupa. Tänu CRISPR-ile integreeritakse need "lindid" seejärel raku genoomi, mida saab hiljem lugeda.
Saadud andmed ei ole täpsed Ameerika kõige lõbusamad videod. Pigem on see rohkem pearaamat, mis dokumenteerib mitu bioloogilist signaali ja salvestab need kronoloogilises järjekorras.
"See uus molekulaarandmete kogumise viis annab meile enneolematu akna rakkudesse," ütles Laevamees. Lisaks raku arenguloo pealtkuulamisele – näiteks selle kohta, kuidas see tavalisest tüvirakust erines – võib Retro-Cascorderi lisamine muuta normaalsed rakud elavateks biosensoriteks, mis jälgivad reostust, viiruseid või muid saasteaineid, testides samal ajal DNA võimet usaldusväärne andmesalvestusseade.
DNA lintide tõus
Miks jälgida raku ajalugu?
Kujutage ette rakku lapsena. Alustades viljastatud munarakust, see kasvab, muudab oma välimust – näiteks naharakuks või neuroniks – ja reproduktiivrakkude puhul edastab geneetilist teavet oma lastele. Raku teekond läbi elu ei sõltu ainult tema geneetikast – pigem sõltub see, kuidas tema geneetilisi juhiseid täidetakse, suhtlemisest nii raku naabrite kui ka välismaailmaga: dieedist, treeningust, stressist ja kõigest, mida tema peremeesorganism kogeb.
Need olemus- ja kasvatusjuhised käivitavad raku teatud geenimustri aktiveerimiseks – protsessi, mida nimetatakse geeniekspressiooniks. Kõik meie rakud sisaldavad sama geenikomplekti; mis teeb need erinevaks, on see, millised on sisse või välja lülitatud. Geeniekspressioon on tohutult võimas: see võib muuta raku identiteeti, funktsiooni ja lõpuks ka elu juhtivaid bioloogilisi protsesse.
Tore oleks nende sisemusse piiluda.
Üks võimalus on hetktõmmise lähenemine. Kasutades "omika" tehnoloogiaid – st analüüsides miljoneid rakke samaaegselt geeniekspressiooni, ainevahetuse või muude seisundite osas – saame teatud ajahetkel saada suure eraldusvõimega hetktõmmise rakkude rühmast. Kuigi protsess on võimas, hävitab see proovi. Põhjus on selles, et rakkudesse salvestatud geeniekspressiooniteabe lugemine, meetod, mida nimetatakse RNAseq-ks, nõuab raku rasvase mullilise ümbrise lõhkumist, et molekulidele juurde pääseda ja neid ekstraheerida. Kujutage ette, et suunate James Webbi teleskoopi mis tahes ruumipunkti, teades, et teleskoop hävitab kõik, mida ta näeb – jah, mitte suurepärane.
DNA-lindid kasutavad teistsugust lähenemist. Sarnaselt videoredaktoriga märgistavad nad raku sündmused DNA-tähtedest koosneva vöötkoodiga – natuke nagu ajatempel. Shipmanile pole võõras DNA kasutamine salvestusseadmena. 2017. aastal, töötades koos sünteetilise bioloogi dr. George Churchiga Harvardis ja meeskonnaga, nad kodeerisid digitaalne film elavate bakterite genoomi, kasutades CRISPR-i.
DNA päevik
Uuel uuringul oli suhteliselt lihtne eesmärk: nagu liikumisega väljalülitatud kaamera, alustage salvestamist iga kord, kui konkreetne geen lülitub sisse.
Retro-Cascorderi kujundamiseks pöördus meeskond mõistatusliku geneetilise elemendi, retronite poole. Need on väikesed bakteri DNA tükid, mis ajasid teadlasi aastakümneid uimaseks, enne kui taipasid, et need moodustavad osa bakterite immuunsüsteemist. Tagasi 2021-sse, uuringu kaasautor Church muutis retronid veidrast bakteriaalsest veidrusest geenide redigeerimise tööriistaks mis suudab samaaegselt kontrollida miljoneid DNA variatsioone ja jälgida nende mõju. Oluline on see, et nad mõistsid, et retroneid saab kasutada teatud geneetilise muutuse ajatemplimiseks siltidena.
Siin alustas meeskond retronite väljatöötamisega, et toota spetsiifilisi DNA-märgiseid, nagu näiteks vöötkoodide seeria printimine pakendite märgistamiseks. Märgised on seotud DNA promootoritega, mis sarnaselt valgusfooriga annavad rakule õiguse geeni sisse lülitada.
Kui geen lülitub sisse, genereerib retron automaatselt ainulaadse vöötkoodi, mis tõendab tema tegevust. See on mitmeastmeline protsess: algselt DNA-sse kodeeritud märgis transkribeerib rakk esmalt RNA-ks ja seejärel kirjutavad retronid uuesti DNA "kviitungiteks".
Mõelge restorani kassaaparaadile. See on samaväärne ühe tellimuse printimisega kindlal ajal ühe kviitungiga.
Pärast seda, kui oli veendunud, et tehnoloogia töötab ootuspäraselt, asus meeskond seejärel rakust "filme" tegema retronipõhiste siltide abil. See ei ole video traditsioonilises tähenduses: meeskond pidi siiski salvestusseansi lõpus (umbes 24 tundi) vöötkoode analüüsima, et taasesitada, mis hävitab rakud.
Geeniekspressiooni muutuste jälgimine ühe hetktõmmise ajal on suhteliselt lihtne. Samade muutuste jälgimine päeva jooksul on palju keerulisem. Salvesti jaoks omamoodi "mälu" loomiseks pöördus meeskond CRISPR-Casi poole. CRISPR-i massiivid toimivad siin päevikuna, retronid aga igapäevaste kirjetena. Retronite genereeritud DNA kviitungid liidetakse CRISPR-i massiivi. Nagu kassetid, sisaldavad need andmeid, millele järgnevad vahetükid, nagu must ekraan, mis aitavad sündmusi eraldada. Uue teabe lisamisel nihkuvad varasemad vahetükid lähimast kirjest kaugemale, võimaldades sündmuste ajaskaala dešifreerida.
Rakud, millel on võime kasutada CRISPR-i geneetiliste andmete kirjutamiseks, "saavad järk-järgult salvestada rakusündmusi ... DNA-lindidesse," ütles Yachie.
Kontseptsiooni tõestusena tutvustas meeskond Retro-Cascorderit Escherichia coli (E. Coli), labori lemmikbakterid, geenitehnoloogia abil. Uue konstruktsiooni kaasamine oli veale imelihtne ja teadlastele hea märk, kuna see viitab vähesele stressile või rakkudele toksilisusele.
Seejärel lülitasid nad sisse ühe või mõlemad DNA promootorid, kasutades selleks kemikaale, näiteks klõpsates Walkmanis nuppu Salvesta. 48 tunni jooksul registreeris süsteem geeniekspressiooni muutused ootuspäraselt CRISPR-i massiivi. Pärast CRISPR-i massiivide järjestusse täiendavat süvenemist – st pärast nende lugemist – leidsid nad, et raku ajalugu edenes ootuspäraselt.
Kogu teie ajalugu
Uus DNA-lint on nagu filmi väikeste katkendite salvestamine läbi aja. Aga see on imelikult toimetatud. Kuigi Retro-Cascorder suudab öelda geenide aktiveerimise järjestuse, ei suuda see täpselt määrata kahe kõrvuti asetseva sündmuse vahelist ajavahet. Nagu koduvideos, võib samal päeval olla ka klipp tantsuproovist, millele järgneb õhtusöök; või aastate vahega.
Kuid võrreldes varasemate katsetega on lint tehnoloogiline hüpe, parema signaali, pikema salvestuse ja parema taasesitusega.
"See pole veel täiuslik süsteem, kuid arvame, et see on siiski parem kui olemasolevad meetodid, mis võimaldavad mõõta ainult ühte sündmust korraga," ütles Shipman.
Võistlus täiusliku mobiilsidedokumentalisti nimel on käimas ja enamikul on kesksel kohal CRISPR. Yachie arvates on üks viis asendada good-ole’-CRISPR-iga baastoimetajad or CRISPR prime, mis mõlemad kahjustavad raku genoomi vähem. Bioloogiline videomakk, mis loeb tagasi geeni salvestatud ekspressiooni, vajab samuti uuendamist, mis võib olla toidetud parema andmetöötlusvõimega.
Kui DNA-salvestid on täiustatud, võivad need aidata meil jälgida miniajude ja muude organoidide arengutrajektoori, uurida vähirakke nende arenemisel, jälgida rakkudes keskkonnasaasteaineid – seda kõike ilma elusid ohustamata.
Image Credit: Immo Wegmann / Unsplash
