बचपन के घरेलू वीडियो दिल को छू लेने वाले, प्रफुल्लित करने वाले या सर्वथा शर्मनाक हो सकते हैं। लेकिन टेप में एक अमूल्य संसाधन होता है: बच्चे की यात्रा के अंश जब वे दुनिया को नेविगेट करना सीखते हैं। निश्चित रूप से, तस्वीरें पहले जन्मदिन या बाइक से पहली बार गिरने पर भी कब्जा कर सकती हैं-लेकिन एक फिल्म के बजाय, वे समय में एकल स्नैपशॉट हैं।
वैज्ञानिकों ने लंबे समय से अपने इतिहास को पकड़ने के लिए डीएनए "कैमकोर्डर" को कोशिकाओं में एम्बेड करने की मांग की है। बच्चों की तरह, कोशिकाएं बढ़ती हैं, विविधतापूर्ण होती हैं, और परिपक्व होती हैं क्योंकि वे पर्यावरण के साथ बातचीत करती हैं। ये परिवर्तन कोशिका की जीन गतिविधि में अंतर्निहित होते हैं, और समय के साथ उनका पुनर्निर्माण करके, वैज्ञानिक एक कोशिका की वर्तमान स्थिति का अनुमान लगा सकते हैं- उदाहरण के लिए, क्या यह कैंसर हो रहा है?
प्रौद्योगिकी "विकासात्मक और कैंसर जीव विज्ञान के बारे में ज्ञान को गहरा करेगी जिसे चिकित्सीय रणनीतियों में अनुवादित किया जा सकता है," कहा डॉ. नोज़ोमु याची और ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय के सहयोगी।
समस्या? रिकॉर्डिंग प्रक्रिया, आज तक, केवल एकल स्नैपशॉट से युक्त है और इसने सेल को नष्ट कर दिया है, जिससे इसकी वृद्धि को ट्रैक करना असंभव हो गया है।
अब, यूसीएसएफ ग्लैडस्टोन संस्थान में डॉ. सेठ शिपमैन के नेतृत्व में एक टीम एक जैविक रिकॉर्डर इंजीनियर—डब किया हुआ रेट्रो-कैस्कर्डर—कि, एक पुराने स्कूल कैमकॉर्डर की तरह, एक डीएनए "टेप" पर एक सेल के जीन अभिव्यक्ति इतिहास को एक समय में कई दिनों तक कैप्चर कर सकता है। सीआरआईएसपीआर के लिए धन्यवाद, इन "टेप" को तब सेल के जीनोम में एकीकृत किया जाता है, जिसे बाद की तारीख में पढ़ा जा सकता है।
परिणामी डेटा बिल्कुल नहीं है अमेरिका के सबसे मजेदार घर वीडियो. इसके बजाय, यह एक बहीखाता है जो कई जैविक संकेतों का दस्तावेजीकरण करता है और उन्हें कालानुक्रमिक क्रम में बड़े करीने से संग्रहीत करता है।
"आणविक डेटा एकत्र करने का यह नया तरीका हमें कोशिकाओं में एक अभूतपूर्व खिड़की देता है," कहा शिपमैन। एक सेल के विकास के इतिहास में छिपकर बात करने के अलावा- उदाहरण के लिए, यह एक सामान्य स्टेम सेल से कैसे विविध हुआ- रेट्रो-कैस्कोर जोड़ने से सामान्य कोशिकाओं को जीवित बायोसेंसर में बदल दिया जा सकता है जो प्रदूषण, वायरस या अन्य दूषित पदार्थों की निगरानी करते हैं, जबकि डीएनए की क्षमता का परीक्षण करते समय एक विश्वसनीय डेटा स्टोरेज डिवाइस।
डीएनए टेप का उदय
सेल के इतिहास को ट्रैक क्यों करें?
एक बच्चे के रूप में एक सेल की कल्पना करो। एक निषेचित अंडे से शुरू होकर, यह बढ़ता है, अपने बाहरी स्वरूप को बदलता है - एक त्वचा कोशिका या एक न्यूरॉन में, उदाहरण के लिए- और प्रजनन कोशिकाओं के लिए, अपने बच्चों को आनुवंशिक जानकारी देता है। जीवन के माध्यम से एक कोशिका की यात्रा अकेले उसके आनुवंशिकी द्वारा निर्धारित नहीं होती है - बल्कि, उसके आनुवंशिक निर्देश कैसे किए जाते हैं, यह उसके सेलुलर पड़ोसियों और बाहरी दुनिया दोनों के साथ बातचीत पर निर्भर करता है: आहार, व्यायाम, तनाव, और कुछ भी इसके मानव मेजबान अनुभव।
ये प्रकृति और पोषण जीन के एक निश्चित पैटर्न को सक्रिय करने के लिए एक सेल को ट्रिगर करते हैं - एक प्रक्रिया जिसे जीन अभिव्यक्ति कहा जाता है। हमारी सभी कोशिकाओं में जीन का एक ही सेट होता है; जो चीज उन्हें अलग बनाती है वह यह है कि कौन से चालू या बंद हैं। जीन अभिव्यक्ति व्यापक रूप से शक्तिशाली है: यह एक कोशिका की पहचान, कार्य और अंततः, जीवन को नियंत्रित करने वाली जैविक प्रक्रियाओं को बदल सकती है।
उनके आंतरिक कामकाज के अंदर झांकना बहुत अच्छा होगा।
एक तरीका स्नैपशॉट दृष्टिकोण है। "ओमिक्स" तकनीकों का उपयोग करना - अर्थात, जीन अभिव्यक्ति, चयापचय, या अन्य अवस्थाओं के लिए एक ही समय में लाखों कोशिकाओं का विश्लेषण करना - हम एक विशेष समय में कोशिकाओं के समूह का एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्नैपशॉट प्राप्त कर सकते हैं। शक्तिशाली होते हुए भी, प्रक्रिया नमूने को नष्ट कर देती है। इसका कारण यह है कि कोशिकाओं के भीतर संग्रहीत जीन अभिव्यक्ति जानकारी को पढ़ने के लिए, आरएनएसेक नामक एक विधि, अणुओं तक पहुंचने और निकालने के लिए कोशिका के फैटी, बुलबुले लिफाफे को तोड़ने की आवश्यकता होती है। अंतरिक्ष में किसी भी बिंदु पर जेम्स वेब टेलीस्कोप को इंगित करने की कल्पना करें, यह जानते हुए कि टेलीस्कोप जो कुछ भी देखता है उसे मिटा देगा-हाँ, महान नहीं।
डीएनए टेप एक अलग दृष्टिकोण लेते हैं। एक वीडियो संपादक की तरह, वे डीएनए अक्षरों से बने बारकोड के साथ सेल की घटनाओं को "टैग" करते हैं-थोड़ा टाइमस्टैम्प की तरह। भंडारण उपकरण के रूप में डीएनए का उपयोग करने के लिए शिपमैन कोई अजनबी नहीं है। 2017 में वापस, हार्वर्ड और टीम में सिंथेटिक जीवविज्ञानी डॉ। जॉर्ज चर्च के साथ काम करते हुए, उन्होंने एन्कोड किया CRISPR का उपयोग करके जीवित जीवाणुओं के जीनोम में एक डिजिटल फिल्म।
एक डीएनए डायरी
नए अध्ययन का एक अपेक्षाकृत सरल लक्ष्य था: गति-ट्रिप किए गए कैमरे की तरह, किसी विशेष जीन के चालू होने पर किसी भी समय रिकॉर्डिंग शुरू करें।
रेट्रो-कैस्कर्डर को डिजाइन करने के लिए, टीम ने एक गूढ़ आनुवंशिक तत्व, रेट्रोन की ओर रुख किया। ये बैक्टीरिया के डीएनए के छोटे-छोटे टुकड़े हैं जो वैज्ञानिकों को दशकों तक यह महसूस करने से पहले झकझोर देते हैं कि वे बैक्टीरिया की प्रतिरक्षा प्रणाली का हिस्सा हैं। वापस 2021 में, अध्ययन के सह-लेखक चर्च ने रेट्रोन को एक अजीब बैक्टीरियल क्वर्की से बदल दिया एक जीन संपादन उपकरण में जो लाखों डीएनए विविधताओं की जांच कर सकता है, और एक ही समय में उनके प्रभावों का पालन कर सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने महसूस किया कि समय में एक विशेष आनुवंशिक परिवर्तन को टाइमस्टैम्प करने के लिए रेट्रोन का उपयोग टैग के रूप में किया जा सकता है।
यहां, टीम ने विशिष्ट डीएनए टैग बनाने के लिए इंजीनियरिंग रेट्रो द्वारा शुरू किया - जैसे पैकेजों को चिह्नित करने के लिए बारकोड की एक श्रृंखला को प्रिंट करना। टैग डीएनए प्रमोटरों से जुड़े होते हैं, जो ट्रैफिक लाइट की तरह, सेल को जीन चालू करने की अनुमति देते हैं।
एक बार एक जीन चालू हो जाने पर, रेट्रोन स्वचालित रूप से एक अद्वितीय बारकोड उत्पन्न करता है जो इसकी गतिविधि को प्रमाणित करता है। यह एक बहु-चरणीय प्रक्रिया है: टैग, मूल रूप से डीएनए में एन्कोड किया गया है, पहले सेल द्वारा आरएनए में स्थानांतरित किया जाता है, और फिर रेट्रोन्स द्वारा डीएनए "रसीद" में फिर से लिखा जाता है।
एक रेस्तरां कैश रजिस्टर के बारे में सोचें। यह एक ऑर्डर को एक निश्चित समय पर, एक रसीद के साथ प्रिंट करने के बराबर है।
यह सत्यापित करने के बाद कि तकनीक अपेक्षित रूप से काम करती है, टीम ने रेट्रोन-आधारित टैग का उपयोग करके सेल की "मूवी" बनाने की ओर रुख किया। यह पारंपरिक अर्थों में एक वीडियो नहीं है: टीम को अभी भी रिकॉर्डिंग सत्र के अंत में बारकोड का विश्लेषण करना था - लगभग 24 घंटे - प्लेबैक के लिए, जो कोशिकाओं को नष्ट कर देता है।
समय में एक स्नैपशॉट में जीन अभिव्यक्ति परिवर्तनों पर नज़र रखना अपेक्षाकृत सरल है। पूरे दिन में समान परिवर्तनों पर नज़र रखना कहीं अधिक कठिन है। रिकॉर्डर के लिए एक प्रकार की "स्मृति" बनाने के लिए, टीम ने CRISPR-Cas की ओर रुख किया। यहाँ, CRISPR सरणियाँ डायरी के रूप में कार्य करती हैं, जबकि रेट्रोन दैनिक प्रविष्टियों की तरह। रेट्रोन द्वारा उत्पन्न डीएनए रसीदों को सीआरआईएसपीआर सरणी में शामिल किया जाता है। कैसेट टेप की तरह, उनमें अलग-अलग घटनाओं में मदद करने के लिए ब्लैक स्क्रीन की तरह स्पेसर के बाद डेटा होता है। जैसे ही नई जानकारी जोड़ी जाती है, पिछले स्पेसर निकटतम प्रविष्टि से और दूर चले जाते हैं, जिससे घटनाओं की समयरेखा को समझना संभव हो जाता है।
याची ने कहा, आनुवंशिक डेटा लिखने के लिए सीआरआईएसपीआर का उपयोग करने की क्षमता वाले सेल "सेलुलर घटनाओं को उत्तरोत्तर रिकॉर्ड कर सकते हैं ... डीएनए टेप में।"
अवधारणा के सबूत में, टीम ने रेट्रो-कैस्कर्डर को पेश किया Escherichia कोलाई (ई. कोली), लैब का पसंदीदा बैक्टीरिया, जेनेटिक इंजीनियरिंग के माध्यम से। नए निर्माण को शामिल करना बग के लिए एक हवा थी, और वैज्ञानिकों के लिए एक अच्छा संकेत था, क्योंकि यह कोशिकाओं को थोड़ा तनाव या विषाक्तता का सुझाव देता है।
फिर उन्होंने वॉकमैन पर "रिकॉर्ड" पर क्लिक करने जैसे रसायनों का उपयोग करके या तो दोनों डीएनए प्रमोटरों को चालू कर दिया। 48 घंटों में, सिस्टम ने CRISPR सरणी में अपेक्षित जीन अभिव्यक्ति में परिवर्तन दर्ज किया। CRISPR सरणियों के अनुक्रम में और अधिक खुदाई करने के बाद - अर्थात, उन्हें बाद में पढ़ना - उन्होंने पाया कि सेल का इतिहास अपेक्षित रूप से आगे बढ़ा।
आप का एक संपूर्ण इतिहास
नया डीएनए टेप समय के साथ किसी फिल्म के छोटे-छोटे टुकड़ों को रिकॉर्ड करने जैसा है। लेकिन यह अजीब तरह से संपादित है। जबकि रेट्रो-कैस्कर्डर जीन सक्रियण के अनुक्रम को बता सकता है, यह दो आसन्न घटनाओं के बीच समयबद्धता को इंगित नहीं कर सकता है। जैसे होम वीडियो में, डांस रिहर्सल की क्लिप और उसके बाद डिनर उसी दिन हो सकता है; या साल अलग।
लेकिन पिछले प्रयासों की तुलना में, बेहतर सिग्नल, लंबी रिकॉर्डिंग अवधि और बेहतर प्लेबैक के साथ टेप एक तकनीकी छलांग है।
"यह अभी तक एक आदर्श प्रणाली नहीं है, लेकिन हमें लगता है कि यह अभी भी मौजूदा तरीकों से बेहतर होगा, जो आपको एक समय में केवल एक घटना को मापने में सक्षम बनाता है," शिपमैन ने कहा।
संपूर्ण सेलुलर वृत्तचित्र की दौड़ जारी है, और अधिकांश के केंद्र में CRISPR है। Yachie के लिए, अच्छा-ओले'-CRISPR को प्रतिस्थापित करने का एक तरीका है आधार संपादक or सीआरआईएसपीआर प्राइम, दोनों ही कोशिका के जीनोम को कम नुकसान पहुंचाते हैं। जैविक "वीसीआर" - जो एक जीन की दर्ज की गई अभिव्यक्ति को वापस पढ़ता है - को भी एक उन्नयन की आवश्यकता होती है, जो संभावित रूप से बेहतर कंप्यूटिंग कौशल द्वारा संचालित होता है।
जब अधिक सिद्ध हो जाते हैं, तो डीएनए रिकॉर्डर हमें मिनी-ब्रेन और अन्य ऑर्गेनोइड के विकास पथ को ट्रैक करने में मदद कर सकते हैं, कैंसर कोशिकाओं का अध्ययन कर सकते हैं क्योंकि वे विकसित होते हैं, कोशिकाओं में पर्यावरण प्रदूषकों की निगरानी करते हैं-सभी जीवन को दांव पर लगाए बिना।
छवि क्रेडिट: इम्मो वेगमैन / Unsplash
