ویدیوهای خانگی دوران کودکی می تواند دلگرم کننده، خنده دار یا کاملاً شرم آور باشد. اما نوارها حاوی منبع ارزشمندی هستند: تکه‌هایی از سفر یک کودک در حالی که یاد می‌گیرد در جهان حرکت کند. مطمئناً، عکس‌ها می‌توانند اولین تولد یا اولین سقوط از دوچرخه را نیز ثبت کنند – اما به جای یک فیلم، عکس‌های فوری در زمان هستند.
دانشمندان مدت‌هاست که به دنبال جاسازی «دوربین‌های فیلمبرداری» DNA در سلول‌ها بوده‌اند تا تاریخ آنها را ثبت کنند. مانند بچه ها، سلول ها در تعامل با محیط رشد می کنند، متنوع می شوند و بالغ می شوند. این تغییرات در فعالیت ژن سلولی تعبیه شده است و با بازسازی آنها در طول زمان، دانشمندان می توانند وضعیت فعلی یک سلول را استنباط کنند - به عنوان مثال، آیا سرطانی شدن آن سلول است؟
این فناوری "دانش را در مورد بیولوژی رشد و سرطان که می تواند به استراتژی های درمانی ترجمه شود، عمیق تر می کند." گفت: دکتر نوزومو یاچی و همکارانش در دانشگاه بریتیش کلمبیا.
مشکل؟ فرآیند ضبط، تا به امروز، تنها از عکس های فوری تشکیل شده است و سلول را از بین برده است و ردیابی رشد آن را غیرممکن می کند.
اکنون، تیمی به رهبری دکتر ست شیپمن در موسسه UCSF Gladstone یک ضبط کننده بیولوژیکی مهندسی کرد-به نام Retro-Cascorder- که مانند یک دوربین فیلمبرداری قدیمی، می تواند تاریخ بیان ژن یک سلول را بر روی یک "نوار" DNA برای روزها ثبت کند. به لطف CRISPR، این «نوارها» سپس در ژنوم سلول ادغام می‌شوند که می‌تواند در تاریخ بعدی خوانده شود.
داده های حاصل دقیقاً نیستند صفحه اصلی سرگرم کننده ترین فیلم ها در آمریکا. بلکه بیشتر یک دفتر کل است که چندین سیگنال بیولوژیکی را مستند کرده و آنها را به ترتیب زمانی ذخیره می کند.
این روش جدید برای جمع‌آوری داده‌های مولکولی، پنجره‌ای بی‌سابقه به سلول‌ها می‌دهد.» گفت: مرد کشتی. جدای از استراق سمع به تاریخچه رشد یک سلول - به عنوان مثال، نحوه تنوع آن از یک سلول بنیادی معمولی - افزودن Retro-Cascorder می‌تواند سلول‌های طبیعی را به حسگرهای زیستی زنده تبدیل کند که آلودگی، ویروس‌ها یا سایر آلاینده‌ها را کنترل می‌کنند، در حالی که توانایی DNA را به عنوان آزمایش می‌کند. یک دستگاه ذخیره اطلاعات قابل اعتماد
ظهور نوارهای DNA
چرا تاریخچه یک سلول را ردیابی کنیم؟
یک سلول را در کودکی تصور کنید. با شروع از یک تخمک بارور شده، رشد می کند، ظاهر بیرونی خود را تغییر می دهد - به عنوان مثال به یک سلول پوست یا یک نورون - و برای سلول های تولید مثل، اطلاعات ژنتیکی را به بچه های خود منتقل می کند. سفر یک سلول در زندگی تنها توسط ژنتیک تعیین نمی شود - بلکه نحوه انجام دستورالعمل های ژنتیکی آن به تعامل با همسایگان سلولی و دنیای خارج بستگی دارد: رژیم غذایی، ورزش، استرس و هر چیزی که میزبان انسان تجربه می کند.
این طبیعت و انگیزه‌های پرورش سلولی را تحریک می‌کند تا الگوی خاصی از ژن‌ها را فعال کند - فرآیندی که بیان ژن نامیده می‌شود. همه سلول های ما دارای مجموعه ای از ژن ها هستند. چیزی که آنها را متفاوت می کند این است که کدام یک روشن یا خاموش هستند. بیان ژن بسیار قدرتمند است: می تواند هویت، عملکرد سلول و در نهایت فرآیندهای بیولوژیکی حاکم بر زندگی را تغییر دهد.
خیلی خوب است که نگاهی به عملکرد درونی آنها داشته باشیم.
یکی از راه ها، رویکرد عکس فوری است. با استفاده از فناوری‌های "omics" - یعنی تجزیه و تحلیل میلیون‌ها سلول به طور همزمان برای بیان ژن، متابولیسم یا سایر حالت‌ها - می‌توانیم یک عکس فوری با وضوح بالا از گروهی از سلول‌ها در یک زمان خاص دریافت کنیم. در حالی که این فرآیند قدرتمند است، نمونه را از بین می برد. دلیل آن این است که خواندن اطلاعات بیان ژن ذخیره شده در سلول‌ها، روشی که RNAseq نامیده می‌شود، نیازمند شکستن پوشش چربی و حباب‌دار سلول برای دسترسی و استخراج مولکول‌ها است. تصور کنید که تلسکوپ جیمز وب را در هر نقطه ای از فضا نشانه بگیرید و بدانید که تلسکوپ هر چیزی را که ببیند محو خواهد کرد - بله، عالی نیست.
نوارهای DNA رویکرد متفاوتی دارند. آنها مانند یک ویرایشگر ویدئو، رویدادهای یک سلول را با بارکدی متشکل از حروف DNA "برچسب" می کنند - کمی شبیه یک مهر زمانی. Shipman با استفاده از DNA به عنوان یک وسیله ذخیره سازی غریبه نیست. در سال 2017، کار با زیست شناس مصنوعی دکتر جورج چرچ در هاروارد و تیمش، آنها رمزگذاری کردند یک فیلم دیجیتال به ژنوم باکتری های زنده با استفاده از CRISPR.
یک دفترچه خاطرات DNA
مطالعه جدید یک هدف نسبتاً ساده داشت: مانند یک دوربین حرکتی، هر زمان که یک ژن خاص روشن می شود، شروع به ضبط کنید.
برای طراحی Retro-Cascorder، تیم به یک عنصر ژنتیکی مرموز، retrons روی آوردند. اینها تکه‌های کوچکی از DNA باکتریایی هستند که دانشمندان را برای دهه‌ها پیش از این که متوجه شوند بخشی از سیستم ایمنی یک باکتری را تشکیل می‌دهند، بی‌قرار کردند. برگشت در 2021چرچ، یکی از نویسندگان این مطالعه، رترون ها را از یک رفتار عجیب و غریب باکتریایی تبدیل کرد به ابزار ویرایش ژن که می تواند میلیون ها تنوع DNA را غربال کند و اثرات آنها را همزمان دنبال کند. مهمتر از همه، آنها متوجه شدند که رترون ها می توانند به عنوان برچسب برای نشان دادن یک تغییر ژنتیکی خاص در زمان استفاده شوند.
در اینجا، تیم با مهندسی کردن رترون‌ها برای تولید برچسب‌های DNA خاص-مانند چاپ یک سری بارکد برای علامت‌گذاری بسته‌ها- شروع کردند. این برچسب‌ها به محرک‌های DNA مرتبط هستند، که مانند چراغ راهنمایی به سلول اجازه می‌دهد تا یک ژن را روشن کند.
هنگامی که یک ژن روشن می شود، رترون به طور خودکار یک بارکد منحصر به فرد تولید می کند که فعالیت آن را تأیید می کند. این یک فرآیند چند مرحله‌ای است: برچسب، که در ابتدا در DNA رمزگذاری شده بود، ابتدا توسط سلول به RNA رونویسی می‌شود و سپس توسط رترون‌ها به «دریافت‌های» DNA بازنویسی می‌شود.
به صندوق رستوران فکر کنید. این معادل چاپ یک سفارش، در زمان معین، با یک رسید است.
پس از تأیید اینکه این فناوری مطابق انتظار عمل می کند، تیم سپس به ساخت «فیلم» از یک سلول با استفاده از برچسب های مبتنی بر رترون روی آورد. این یک ویدیو به معنای سنتی نیست: تیم هنوز باید بارکدها را در پایان یک جلسه ضبط - حدود 24 ساعت - برای پخش تجزیه و تحلیل می‌کرد که سلول‌ها را از بین می‌برد.
پیگیری تغییرات بیان ژن در یک عکس فوری در زمان نسبتاً ساده است. پیگیری تغییرات یکسان در طول روز بسیار دشوارتر است. برای ساختن یک نوع «حافظه» برای ضبط کننده، تیم به CRISPR-Cas روی آورد. در اینجا، آرایه های CRISPR به عنوان دفترچه خاطرات عمل می کنند، در حالی که retron ها مانند ورودی های روزانه هستند. دریافت‌های DNA، تولید شده توسط رترون‌ها، در یک آرایه CRISPR گنجانده می‌شوند. مانند نوار کاست، آنها حاوی داده هایی هستند که به دنبال آن فاصله ها قرار می گیرند، مانند یک صفحه سیاه، تا به جداسازی رویدادها کمک کنند. با اضافه شدن اطلاعات جدید، فاصله‌گیرهای قبلی از نزدیک‌ترین ورودی دورتر می‌شوند و رمزگشایی جدول زمانی رویدادها را ممکن می‌سازند.
یاچی گفت: سلول‌هایی با توانایی استفاده از CRISPR برای نوشتن داده‌های ژنتیکی «می‌توانند به تدریج رویدادهای سلولی را در نوارهای DNA ثبت کنند».
در یک اثبات مفهومی، تیم Retro-Cascorder را به آن معرفی کرد اشریشیا کولی (E. Coli)، باکتری مورد علاقه آزمایشگاه، از طریق مهندسی ژنتیک. ترکیب ساختار جدید نسیمی برای حشره بود و نشانه خوبی برای دانشمندان بود، زیرا استرس یا سمیت کمی را برای سلول‌ها نشان می‌دهد.
آنها سپس با استفاده از مواد شیمیایی، مانند کلیک کردن بر روی "ضبط" روی Walkman، یکی یا هر دو محرک DNA را روشن کردند. بیش از 48 ساعت، سیستم تغییرات بیان ژن را همانطور که انتظار می رفت در آرایه CRISPR ثبت کرد. پس از کاوش بیشتر در دنباله آرایه‌های CRISPR - یعنی بازخوانی آنها پس از آن - آنها دریافتند که تاریخچه سلول همانطور که انتظار می‌رفت پیشرفت کرده است.
تاریخچه ای کامل از شما
نوار DNA جدید مانند ضبط تکه های کوچک یک فیلم در طول زمان است. اما به طرز عجیبی ویرایش شده است. در حالی که Retro-Cascorder می تواند توالی فعال شدن ژن را تشخیص دهد، نمی تواند فاصله زمانی بین دو رویداد مجاور را مشخص کند. مانند یک ویدیوی خانگی، یک کلیپ از تمرین رقص و سپس یک شام ممکن است در همان روز باشد. یا سالها فاصله
اما در مقایسه با تلاش‌های قبلی، نوار یک جهش تکنولوژیکی است، با سیگنال‌های بهتر، مدت زمان ضبط طولانی‌تر و پخش بهتر.
شیپمن گفت: «این هنوز یک سیستم کامل نیست، اما ما فکر می‌کنیم هنوز بهتر از روش‌های موجود است، که شما را قادر می‌سازد فقط یک رویداد را در یک زمان اندازه‌گیری کنید.»
رقابت برای مستندساز بی نقص سلولی در جریان است و اکثر آنها CRISPR را در مرکز خود دارند. برای Yachie، یکی از راه‌ها جایگزینی good-ole’-CRISPR با آن است ویراستاران پایه or CRISPR Prime، که هر دو آسیب کمتری به ژنوم سلول وارد می کنند. "VCR" بیولوژیکی - که بیان ضبط شده یک ژن را بازخوانی می کند - همچنین به ارتقاء نیاز دارد که به طور بالقوه با قدرت محاسباتی بهتر نیرو می گیرد.
ضبط‌کننده‌های DNA وقتی کامل‌تر شوند، می‌توانند به ما کمک کنند مسیر رشد مینی‌مغزها و سایر ارگانوئیدها را ردیابی کنیم، سلول‌های سرطانی را در حین تکامل مطالعه کنیم، آلاینده‌های محیطی در سلول‌ها را نظارت کنیم - همه اینها بدون به خطر انداختن جان انسان‌ها.
تصویر های اعتباری: ایمو وگمن / می Unsplash
