Video rumah masa kanak-kanak bisa menghangatkan hati, lucu, atau benar-benar memalukan. Tapi kaset itu mengandung sumber yang tak ternilai: cuplikan perjalanan seorang anak saat mereka belajar menavigasi dunia. Tentu, foto juga dapat menangkap ulang tahun pertama atau jatuh pertama dari sepeda juga — tetapi alih-alih film, itu adalah foto tunggal dalam waktu.
Para ilmuwan telah lama berusaha untuk menanamkan "perekam kamera" DNA ke dalam sel untuk menangkap sejarah mereka. Seperti anak-anak, sel tumbuh, berdiversifikasi, dan matang saat mereka berinteraksi dengan lingkungan. Perubahan ini tertanam dalam aktivitas gen sel, dan dengan merekonstruksinya dari waktu ke waktu, para ilmuwan dapat menyimpulkan keadaan sel saat ini—misalnya, apakah itu berubah menjadi kanker?
Teknologi ini “akan memperdalam pengetahuan tentang perkembangan dan biologi kanker yang dapat diterjemahkan ke dalam strategi terapeutik,” tersebut Nozomu Yachie dan rekan-rekannya di University of British Columbia.
Masalah? Proses perekaman, sampai saat ini, hanya terdiri dari satu snapshot dan telah menghancurkan sel, sehingga tidak mungkin untuk melacak pertumbuhannya.
Sekarang, tim yang dipimpin oleh Dr. Seth Shipman di UCSF Gladstone Institute merekayasa perekam biologis—dijuluki Retro-Cascorder—yang, seperti camcorder jadul, dapat menangkap riwayat ekspresi gen sel pada "pita" DNA selama berhari-hari. Berkat CRISPR, "kaset" ini kemudian diintegrasikan ke dalam genom sel, yang dapat dibaca di kemudian hari.
Data yang dihasilkan tidak persis Video Rumah Paling Lucu Amerika. Sebaliknya, ini lebih merupakan buku besar yang mendokumentasikan banyak sinyal biologis dan menyimpannya dengan rapi dalam urutan kronologis.
“Cara baru mengumpulkan data molekuler ini memberi kita jendela yang belum pernah terjadi sebelumnya ke dalam sel,” tersebut tukang kapal. Selain menguping sejarah perkembangan sel—misalnya, bagaimana sel terdiversifikasi dari sel induk biasa—menambahkan Retro-Cascorder dapat mengubah sel normal menjadi biosensor hidup yang memantau polusi, virus, atau kontaminan lainnya, sambil menguji kemampuan DNA sebagai perangkat penyimpanan data yang andal.
Bangkitnya Pita DNA
Mengapa melacak riwayat sel?
Bayangkan sebuah sel sebagai seorang anak. Mulai dari sel telur yang dibuahi, ia tumbuh, mengubah penampilan luarnya—menjadi sel kulit atau neuron, misalnya—dan untuk sel reproduksi, meneruskan informasi genetik kepada anak-anaknya. Perjalanan sel melalui kehidupan tidak ditentukan oleh genetikanya saja—tetapi, bagaimana instruksi genetiknya dilakukan bergantung pada interaksi dengan tetangga selulernya dan dunia luar: diet, olahraga, stres, dan apa pun yang dialami inang manusianya.
Dorongan sifat dan pengasuhan ini memicu sel untuk mengaktifkan pola gen tertentu—proses yang disebut ekspresi gen. Semua sel kita menyimpan set gen yang sama; apa yang membuat mereka berbeda adalah mana yang dihidupkan atau dimatikan. Ekspresi gen sangat kuat: dapat mengubah identitas sel, fungsi, dan akhirnya, proses biologis yang mengatur kehidupan.
Akan sangat bagus untuk mengintip ke dalam pekerjaan batin mereka.
Salah satu caranya adalah dengan pendekatan snapshot. Dengan menggunakan teknologi “omics”—yaitu, menganalisis jutaan sel pada saat yang sama untuk ekspresi gen, metabolisme, atau keadaan lain—kita bisa mendapatkan snapshot resolusi tinggi dari sekelompok sel pada waktu tertentu. Meskipun kuat, prosesnya menghancurkan sampel. Alasannya adalah karena membaca informasi ekspresi gen yang disimpan di dalam sel, sebuah metode yang disebut RNAseq, membutuhkan pemecahan selubung lemak dan gelembung sel untuk mengakses dan mengekstrak molekul. Bayangkan mengarahkan Teleskop James Webb ke titik mana pun di ruang angkasa, mengetahui bahwa teleskop akan melenyapkan apa pun yang dilihatnya—ya, tidak bagus.
Pita DNA mengambil pendekatan yang berbeda. Seperti editor video, mereka "menandai" peristiwa sel dengan kode batang yang terdiri dari huruf DNA—sedikit seperti stempel waktu. Shipman tidak asing dengan menggunakan DNA sebagai perangkat penyimpanan. Kembali pada tahun 2017, bekerja dengan ahli biologi sintetis Dr. George Church di Harvard dan tim, mereka mengkodekan film digital ke dalam genom bakteri hidup menggunakan CRISPR.
Buku Harian DNA
Studi baru memiliki tujuan yang relatif sederhana: seperti kamera yang tersandung gerakan, mulai merekam setiap kali gen tertentu menyala.
Untuk merancang Retro-Cascorder, tim beralih ke elemen genetik yang penuh teka-teki, retrons. Ini adalah potongan kecil DNA bakteri yang membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade, sebelum menyadari bahwa mereka membentuk bagian dari sistem kekebalan bakteri. Kembali di 2021, rekan penulis studi Church mengubah retron dari kekhasan bakteri yang aneh menjadi alat pengeditan gen yang dapat menyaring jutaan variasi DNA, dan mengikuti efeknya, pada saat yang bersamaan. Yang terpenting, mereka menyadari bahwa retron dapat digunakan sebagai tanda untuk menandai perubahan genetik tertentu dalam waktu.
Di sini, tim memulai dengan merekayasa retron untuk menghasilkan tag DNA spesifik—seperti mencetak serangkaian kode batang untuk menandai paket. Tag terkait dengan promotor DNA, yang, seperti lampu lalu lintas, memberi sel izin untuk mengaktifkan gen.
Setelah gen menyala, retron secara otomatis menghasilkan kode batang unik yang mengesahkan aktivitasnya. Ini adalah proses multi-langkah: tag, yang awalnya dikodekan dalam DNA, pertama-tama ditranskripsi menjadi RNA oleh sel, dan kemudian ditulis ulang kembali menjadi "tanda terima" DNA oleh retron.
Pikirkan kasir restoran. Itu setara dengan mencetak satu pesanan, pada waktu tertentu, dengan satu tanda terima.
Setelah memverifikasi bahwa teknologi berfungsi seperti yang diharapkan, tim kemudian beralih ke pembuatan "film" sel menggunakan tag berbasis retron. Ini bukan video dalam pengertian tradisional: tim masih harus menganalisis kode batang di akhir sesi perekaman—sekitar 24 jam—untuk pemutaran, yang menghancurkan sel.
Melacak perubahan ekspresi gen dalam satu snapshot dalam waktu relatif sederhana. Melacak perubahan yang sama sepanjang hari jauh lebih sulit. Untuk membangun semacam "memori" untuk perekam, tim beralih ke CRISPR-Cas. Di sini, array CRISPR bertindak sebagai buku harian, sedangkan retrons seperti entri harian. Penerimaan DNA, yang dihasilkan oleh retron, dimasukkan ke dalam susunan CRISPR. Seperti kaset, mereka berisi data yang diikuti oleh spacer, seperti layar hitam, untuk membantu memisahkan peristiwa. Saat informasi baru ditambahkan, spacer sebelumnya bergeser lebih jauh dari entri terdekat, sehingga memungkinkan untuk menguraikan garis waktu peristiwa.
Sel dengan kemampuan menggunakan CRISPR untuk menulis data genetik “secara progresif dapat merekam peristiwa seluler…ke dalam pita DNA,” kata Yachie.
Dalam proof-of-concept, tim memperkenalkan Retro-Cascorder ke Escherichia coli (E. Coli), bakteri favorit laboratorium, melalui rekayasa genetika. Memasukkan konstruksi baru sangat mudah untuk bug, dan pertanda baik bagi para ilmuwan, karena menunjukkan sedikit stres atau toksisitas pada sel.
Mereka kemudian menyalakan salah satu atau kedua promotor DNA menggunakan bahan kimia, seperti mengklik "rekam" di Walkman. Lebih dari 48 jam, sistem mencatat perubahan ekspresi gen seperti yang diharapkan ke dalam susunan CRISPR. Setelah menggali lebih jauh ke dalam urutan susunan CRISPR—yaitu, membacanya kembali sesudahnya—mereka menemukan bahwa sejarah sel berkembang seperti yang diharapkan.
Seluruh Sejarah Anda
Pita DNA baru itu seperti merekam potongan-potongan kecil film sepanjang waktu. Tapi anehnya diedit. Sementara Retro-Cascorder dapat memberi tahu urutan aktivasi gen, ia tidak dapat menunjukkan dengan tepat selang waktu antara dua peristiwa yang berdekatan. Seperti dalam video rumahan, klip latihan dansa yang diikuti dengan makan malam mungkin dilakukan di hari yang sama; atau bertahun-tahun terpisah.
Tetapi dibandingkan dengan upaya sebelumnya, rekaman itu merupakan lompatan teknologi, dengan sinyal yang lebih baik, durasi perekaman yang lebih lama, dan pemutaran yang lebih baik.
“Ini bukan sistem yang sempurna, tetapi kami pikir ini masih akan lebih baik daripada metode yang ada, yang hanya memungkinkan Anda untuk mengukur satu peristiwa pada satu waktu,” kata Shipman.
Perlombaan untuk dokumenter seluler yang sempurna sedang berlangsung, dan sebagian besar memiliki CRISPR sebagai pusatnya. Bagi Yachie, salah satu caranya adalah mengganti good-ole'-CRISPR dengan editor dasar or CRISPR perdana, yang keduanya menyebabkan lebih sedikit kerusakan pada genom sel. "VCR" biologis—yang membaca kembali ekspresi yang direkam gen—juga membutuhkan peningkatan, yang berpotensi didukung oleh kecakapan komputasi yang lebih baik.
Ketika lebih disempurnakan, perekam DNA dapat membantu kita melacak lintasan perkembangan otak mini dan organoid lainnya, mempelajari sel kanker saat mereka berevolusi, memantau polutan lingkungan dalam sel—semuanya tanpa mempertaruhkan nyawa.
Gambar Kredit: Immo Wegmann / Unsplash
