A gyerekkori otthoni videók szívmelengetőek, vidámak vagy egyenesen kínosak lehetnek. A szalagok azonban felbecsülhetetlen értékű forrást tartalmaznak: egy gyermek utazásának részletét, amint megtanul eligazodni a világban. Természetesen a fényképek megörökíthetik az első születésnapot vagy az első kerékpárról való leesést is – de nem egy film, hanem egyetlen pillanatfelvétel az időben.
A tudósok régóta törekednek arra, hogy DNS „kamerákat” ágyazzanak a sejtekbe, hogy megörökítsék történetüket. A gyerekekhez hasonlóan a sejtek is növekednek, diverzifikálódnak és érnek, miközben kölcsönhatásba lépnek a környezettel. Ezek a változások a sejt génaktivitásába ágyazódnak, és idővel rekonstruálva a tudósok következtethetnek a sejt aktuális állapotára – például rákossá válik-e?
A technológia „elmélyítené a fejlődési és rákbiológiával kapcsolatos ismereteket, amelyeket terápiás stratégiákká lehetne lefordítani”. mondott Dr. Nozomu Yachie és munkatársai a British Columbia Egyetemen.
A probléma? A rögzítési folyamat eddig csak egyetlen pillanatfelvételből állt, és elpusztította a sejtet, lehetetlenné téve a növekedés nyomon követését.
Most egy csapat, amelyet Dr. Seth Shipman vezetett az UCSF Gladstone Intézetben biológiai felvevőt terveztek– a Retro-Cascorder névre keresztelt –, amely, mint egy régi iskolai videokamera, képes egy sejt génexpressziós történetét egy DNS „szalagra” rögzíteni napokon át. A CRISPR-nek köszönhetően ezek a „szalagok” beépülnek a sejt genomjába, amely később leolvasható.
A kapott adatok nem pontosak Amerika legviccesebb otthoni videó. Inkább egy főkönyv, amely több biológiai jelet dokumentál, és szépen időrendi sorrendben tárolja azokat.
"A molekuláris adatok gyűjtésének ez az új módja példátlan ablakot ad a sejtekbe" mondott Hajós. Eltekintve attól, hogy lehallgatják a sejt fejlődési történetét – például azt, hogy hogyan vált szét egy közönséges őssejttől – a Retro-Cascorder hozzáadása a normál sejteket élő bioszenzorokká alakíthatja, amelyek figyelik a szennyeződést, vírusokat vagy egyéb szennyeződéseket, miközben tesztelik a DNS képességét megbízható adattároló eszköz.
A DNS-szalagok felemelkedése
Miért kell nyomon követni egy sejt történetét?
Képzelj el egy sejtet gyerekként. A megtermékenyített petesejtből kiindulva növekszik, külső megjelenése megváltozik – például bőrsejtté vagy idegsejtté –, a reproduktív sejtek esetében pedig genetikai információkat ad át kölykeinek. A sejt életútját nem pusztán a genetikája határozza meg, hanem a genetikai utasítások végrehajtásának módja a sejtszomszédjaival és a külvilággal való interakcióktól függ: az étrendtől, a testmozgástól, a stressztől és bármitől, amit az emberi gazdaszervezet tapasztal.
Ezek a természeti és táplálási késztetések arra késztetik a sejtet, hogy aktiváljon egy bizonyos génmintázatot – ezt a folyamatot génexpressziónak nevezik. Minden sejtünk ugyanazt a génkészletet hordozza; attól különböznek, hogy melyiket kapcsolják be vagy ki. A génexpresszió hatalmas erejű: megváltoztathatja a sejt identitását, működését és végső soron az életet irányító biológiai folyamatokat.
Jó lenne bepillantani a belső működésükbe.
Az egyik módja a pillanatfelvétel megközelítés. Az „omics” technológiák segítségével – vagyis egyszerre több millió sejtet elemezve génexpresszió, anyagcsere vagy egyéb állapotok szempontjából – nagy felbontású pillanatképet kaphatunk egy sejtcsoportról egy adott időpontban. Bár erős, a folyamat tönkreteszi a mintát. Ennek az az oka, hogy a sejtekben tárolt génexpressziós információ leolvasása, az RNAseq elnevezésű módszer, megköveteli a sejt zsíros, buborékos burkának lebontását a molekulák eléréséhez és kinyeréséhez. Képzelje el, hogy a James Webb teleszkópot az űr bármely pontjára irányítja, tudva, hogy a teleszkóp mindent eltöröl, amit lát – igen, nem nagyszerű.
A DNS-szalagok más megközelítést alkalmaznak. A videószerkesztőhöz hasonlóan DNS-betűkből álló vonalkóddal „címkézik” a sejt eseményeit – kicsit úgy, mint egy időbélyeg. Shipman számára nem idegen a DNS tárolóeszközként való használata. 2017-ben Dr. George Church szintetikus biológussal a Harvardon és csapatával együtt kódoltak digitális film az élő baktériumok genomjába a CRISPR segítségével.
DNS-napló
Az új tanulmánynak egy viszonylag egyszerű célja volt: mint egy mozgáskioldó kamera, minden alkalommal kezdje el a felvételt, amikor egy adott gén bekapcsol.
A Retro-Cascorder megtervezéséhez a csapat egy rejtélyes genetikai elemhez, a retronokhoz fordult. Ezek a baktériumok DNS-ének kis darabjai, amelyek évtizedekig zavarták a tudósokat, mielőtt rájöttek, hogy a baktériumok immunrendszerének részét képezik. Vissza az 2021-ban, a tanulmány társszerzője, Church átalakította a retronokat egy furcsa bakteriális furcsaságból génszerkesztő eszközbe amely egyszerre több millió DNS-variációt képes kiszűrni, és követni azok hatását. Lényeges, hogy rájöttek, hogy a retronok címkékként használhatók egy adott genetikai változás időbélyegzésére.
Itt a csapat azzal kezdte, hogy retronokat terveztek meghatározott DNS-címkék előállítására – például vonalkód-sorozatot nyomtattak a csomagok megjelölésére. A címkék DNS-promotorokhoz kapcsolódnak, amelyek, mint egy közlekedési lámpa, megadják a sejtnek, hogy bekapcsoljon egy gént.
Amint egy gén bekapcsol, a retron automatikusan létrehoz egy egyedi vonalkódot, amely tanúsítja a tevékenységét. Ez egy többlépcsős folyamat: az eredetileg DNS-ben kódolt címkét a sejt először RNS-vé írja át, majd a retronok visszaírják DNS-bevételekké.
Gondoljunk csak egy éttermi pénztárgépre. Ez annyi, mintha egy rendelést nyomtatnánk ki egy bizonyos időpontban, egy nyugtával.
Miután ellenőrizték, hogy a technológia az elvárásoknak megfelelően működik-e, a csapat ezután „filmek” készítése felé fordult egy sejtről retron-alapú címkék segítségével. Ez nem a hagyományos értelemben vett videó: a csapatnak még mindig elemeznie kellett a vonalkódokat a felvétel végén – körülbelül 24 órán keresztül – a lejátszáshoz, ami tönkreteszi a sejteket.
Viszonylag egyszerű nyomon követni a génexpressziós változásokat egy pillanatfelvételen belül. Sokkal nehezebb követni ugyanazokat a változásokat a nap folyamán. Egyfajta „memória” kialakítása érdekében a csapat a CRISPR-Cas-hoz fordult. Itt a CRISPR tömbök naplóként, míg a retronok napi bejegyzésként működnek. A retronok által generált DNS-bevételek beépülnek egy CRISPR-tömbbe. A kazettás szalagokhoz hasonlóan adatokat tartalmaznak, amelyeket távtartók követnek, például egy fekete képernyő, hogy segítsék az események elkülönítését. Az új információk hozzáadásával a korábbi távtartók távolabb kerülnek a legközelebbi bejegyzéstől, lehetővé téve az események idővonalának megfejtését.
Azok a sejtek, amelyek képesek a CRISPR használatával genetikai adatokat írni, „fokozatosan rögzíthetik a sejtes eseményeket… DNS-szalagokra” – mondta Yachie.
A koncepció bizonyítékaként a csapat bemutatta a Retro-Cascordert Escherichia coli (E. Coli), a laboratórium kedvenc baktériumai, géntechnológiával. Az új konstrukció beépítése gyerekjáték volt a hiba számára, és jó jel a tudósok számára, mivel kevés stresszt vagy toxicitást jelez a sejtekben.
Ezután vegyi anyagokkal bekapcsolták az egyik vagy mindkét DNS-promotort, például a Walkmanen a „felvétel” gombbal. 48 óra alatt a rendszer a várt módon rögzített génexpressziós változásokat a CRISPR tömbbe. Miután tovább ástak a CRISPR tömbök sorrendjében – vagyis utána visszaolvasták őket –, azt találták, hogy a sejt története a vártnak megfelelően haladt.
Az Ön teljes története
Az új DNS-szalag olyan, mintha egy film kis részletét rögzítené az idő múlásával. De furcsán van szerkesztve. Míg a Retro-Cascorder meg tudja mondani a génaktiválások sorrendjét, nem tudja pontosan meghatározni a két szomszédos esemény közötti időeltolódást. Mint egy házi videóban, egy táncpróba klipje, majd egy vacsora lehet ugyanazon a napon; vagy évek különbséggel.
De a korábbi próbálkozásokhoz képest a kazetta technológiai ugrás, jobb jelekkel, hosszabb felvételi idővel és jobb lejátszással.
"Ez még nem tökéletes rendszer, de úgy gondoljuk, hogy még mindig jobb lesz, mint a meglévő módszerek, amelyek egyszerre csak egy esemény mérését teszik lehetővé" - mondta Shipman.
Folyik a verseny a tökéletes mobildokumentumfilmért, és a legtöbben a CRISPR áll a középpontban. Yachie számára az egyik módja a good-ole'-CRISPR helyettesítése alapszerkesztők or CRISPR prime, mindkettő kevésbé károsítja a sejt genomját. A biológiai „videomagnó” – amely visszaolvasja a gén rögzített expresszióját – szintén frissítésre szorul, és potenciálisan jobb számítástechnikai teljesítményt nyújt.
A tökéletesebb DNS-rögzítők segítségével nyomon követhetjük a miniagyok és más organoidok fejlődési pályáját, tanulmányozhatjuk a rákos sejteket fejlődésük során, nyomon követhetjük a sejtekben lévő környezeti szennyeződéseket – mindezt anélkül, hogy életeket kockáztatnánk.
Kép: Immo wegmann / Unsplash
