סרטוני ילדות בבית יכולים להיות מחממי לב, מצחיקים או מביכים ממש. אבל הקלטות מכילות משאב שלא יסולא בפז: קטעים מהמסע של ילד כשהוא לומד לנווט בעולם. בטח, תמונות יכולות גם ללכוד יום הולדת ראשון או נפילה ראשונה מהאופניים - אבל במקום סרט, הן תצלומים בודדים בזמן.
מדענים ביקשו זה מכבר להטמיע "מצלמות וידיאו" של DNA בתאים כדי ללכוד את ההיסטוריה שלהן. כמו ילדים, תאים גדלים, מגוונים ומתבגרים תוך כדי אינטראקציה עם הסביבה. שינויים אלו מוטמעים בפעילות הגנים של התא, ועל ידי שחזורם לאורך זמן, מדענים יכולים להסיק את מצבו הנוכחי של התא - למשל, האם הוא הופך לסרטני?
הטכנולוגיה "תעמיק את הידע על ביולוגיה התפתחותית וסרטן שניתן לתרגם לאסטרטגיות טיפוליות", אמר ד"ר Nozomu Yachie ועמיתיו באוניברסיטת בריטיש קולומביה.
הבעיה? תהליך ההקלטה היה, עד היום, מורכב רק מתצלומי מצב בודדים והרס את התא, מה שלא מאפשר לעקוב אחר צמיחתו.
כעת, צוות בראשות ד"ר סת' שיפמן במכון גלדסטון של UCSF הנדס מקליט ביולוגי- המכונה Retro-Cascorder - שבדומה למצלמת וידיאו של בית ספר ישן, יכול ללכוד את היסטוריית ביטוי הגנים של התא על גבי "קלטת" של DNA במשך ימים בכל פעם. הודות ל-CRISPR, ה"קלטות" הללו משולבות בגנום התא, אותו ניתן לקרוא במועד מאוחר יותר.
הנתונים המתקבלים אינם בדיוק סרטי הבית הכי מצחיקים של אמריקה. במקום זאת, זה יותר ספר חשבונות שמתעד מספר אותות ביולוגיים ומאחסן אותם בצורה מסודרת בסדר כרונולוגי.
"הדרך החדשה הזו לאיסוף נתונים מולקולריים נותנת לנו צוהר חסר תקדים לתאים", אמר שיפמן. מלבד האזנת סתר להיסטוריה ההתפתחותית של התא - למשל, איך הוא התגוון מתא גזע נפוץ - הוספת Retro-Cascorder יכולה להפוך תאים נורמליים לביו-חיישנים חיים המנטרים אחר זיהום, וירוסים או מזהמים אחרים, כל הזמן בודק את יכולת ה-DNA מכשיר אחסון נתונים אמין.
עלייתן של קלטות DNA
למה לעקוב אחר ההיסטוריה של תא?
דמיינו תא כילד. החל מביצית מופרית, היא גדלה, משנה את המראה החיצוני שלה - לתא עור או נוירון, למשל - ולתאי רבייה, מעבירה מידע גנטי לילדיה. המסע של תא בחיים אינו נקבע על ידי הגנטיקה שלו בלבד - אלא, האופן שבו ההוראות הגנטיות שלו מבוצעות תלוי באינטראקציות הן עם שכניו הסלולריים והן עם העולם החיצון: תזונה, פעילות גופנית, מתח וכל מה שהמארח האנושי שלו חווה.
הנחיות טבע וטיפוח אלה גורמים לתא להפעיל דפוס מסוים של גנים - תהליך המכונה ביטוי גנים. כל התאים שלנו מכילים את אותה קבוצה של גנים; מה שמייחד אותם הוא אילו מהם מופעלים או כבויים. ביטוי גנים הוא בעל עוצמה רבה: הוא יכול לשנות את זהותו של התא, את תפקודו, ובסופו של דבר, את התהליכים הביולוגיים השולטים בחיים.
זה יהיה נהדר לקבל הצצה לתוך הפעילות הפנימית שלהם.
דרך אחת היא גישת תמונת המצב. באמצעות טכנולוגיות "אומיקס" - כלומר ניתוח מיליוני תאים בו-זמנית לביטוי גנים, מטבוליזם או מצבים אחרים - נוכל לקבל תמונת מצב ברזולוציה גבוהה של קבוצת תאים בזמן מסוים. למרות עוצמה, התהליך הורס את המדגם. הסיבה היא כי קריאת מידע ביטוי הגנים המאוחסן בתוך התאים, שיטה המכונה RNAseq, דורשת פירוק המעטפת השומנית והמבעבעת של התא כדי לגשת ולחלץ את המולקולות. דמיינו לעצמכם לכוון את טלסקופ ג'יימס ווב לכל נקודה בחלל, בידיעה שהטלסקופ ישחק כל דבר שהוא יראה - כן, לא נהדר.
קלטות DNA נוקטות בגישה אחרת. כמו עורך וידאו, הם "מתייגים" אירועי תא עם ברקוד המורכב מאותיות DNA - קצת כמו חותמת זמן. שיפמן אינו זר לשימוש ב-DNA כהתקן אחסון. עוד ב-2017, בעבודה עם הביולוג הסינתטי ד"ר ג'ורג' צ'רץ' בהרווארד וצוות, הם הוצפנו סרט דיגיטלי על הגנום של חיידקים חיים באמצעות CRISPR.
יומן DNA
למחקר החדש הייתה מטרה פשוטה יחסית: כמו מצלמה המושפעת מתנועה, להתחיל לתעד בכל פעם שגן מסוים נדלק.
כדי לעצב Retro-Cascorder, הצוות פנה לאלמנט גנטי חידתי, retrons. אלו הם נתחים קטנים של DNA חיידקי שהעלו מדענים במשך עשרות שנים, לפני שהבינו שהם מהווים חלק ממערכת החיסון של חיידק. חזרה ל- 2021, מחבר המחקר, צ'רץ', הפך רטרונים ממוזרות חיידקיים מוזרים לתוך כלי עריכת גנים שיכול לסנן מיליוני וריאציות DNA, ולעקוב אחר השפעותיהן, בו זמנית. באופן מכריע, הם הבינו שרטרונים יכולים לשמש כתגיות כדי לחתום על שינוי גנטי מסוים בזמן.
כאן, הצוות התחיל בהנדסת רטרונים לייצור תגי DNA ספציפיים - כמו הדפסת סדרה של ברקודים לסימון חבילות. התגים מקושרים למקדמי DNA, אשר, כמו רמזור, נותנים לתא את האישור להפעיל גן.
ברגע שגן נדלק, הרטרון מייצר אוטומטית ברקוד ייחודי שמאשר את פעילותו. זהו תהליך רב-שלבי: התג, שקודד במקור ב-DNA, מועתק תחילה ל-RNA על ידי התא, ולאחר מכן נכתב בחזרה ל"קבלות" של DNA על ידי רטרונים.
תחשוב על קופה רושמת של מסעדה. זה שווה ערך להדפסת הזמנה אחת, בזמן מסוים, עם קבלה אחת.
לאחר אימות הטכנולוגיה עובדת כצפוי, הצוות פנה ליצירת "סרטים" של תא באמצעות תגיות מבוססות רטרון. זה לא סרטון במובן המסורתי: הצוות עדיין היה צריך לנתח את הברקודים בתום סשן הקלטה - בסביבות 24 שעות - לצורך השמעה, שהורסת את התאים.
מעקב אחר שינויים בביטוי הגנים בתמונת מצב אחת בזמן היא פשוטה יחסית. מעקב אחר אותם שינויים במהלך היום הוא הרבה יותר קשה. כדי לבנות סוג של "זיכרון" עבור המקליט, הצוות פנה ל-CRISPR-Cas. כאן, מערכי CRISPR פועלים כיומן, ואילו רטרונים כמו רשומות יומיות. קבלות ה-DNA, שנוצרו על ידי רטרונים, משולבות במערך CRISPR. כמו קלטות קלטות, הם מכילים נתונים ואחריהם מרווחים, כמו מסך שחור, כדי לעזור להפריד בין אירועים. ככל שמתווסף מידע חדש, מרווחים קודמים מתרחקים יותר מהכניסה הקרובה ביותר, מה שמאפשר לפענח ציר זמן של אירועים.
תאים עם יכולת להשתמש ב-CRISPR כדי לכתוב נתונים גנטיים "יכולים להקליט בהדרגה אירועים סלולריים... לקלטות DNA", אמר יאצ'י.
בהוכחת קונספט, הצוות הציג את רטרו-קסקורדר לתוך חיידקי Escherichia (E. Coli), החיידק האהוב על המעבדה, באמצעות הנדסה גנטית. שילוב המבנה החדש היה משב רוח עבור הבאג, וסימן טוב עבור המדענים, מכיוון שהוא מרמז על מעט מתח או רעילות לתאים.
לאחר מכן הם הפעילו את אחד ממקדמי ה-DNA או את שניהם תוך שימוש בכימיקלים, כמו לחיצה על "הקלט" בווקמן. במשך 48 שעות, המערכת רשמה שינויים בביטוי הגנים כצפוי במערך CRISPR. לאחר חפירה נוספת ברצף של מערכי CRISPR - כלומר, קראו אותם אחורה לאחר מכן - הם גילו שההיסטוריה של התא התקדמה כמצופה.
היסטוריה שלמה שלך
קלטת ה-DNA החדשה היא כמו הקלטת קטעים קטנים של סרט לאורך זמן. אבל זה ערוך בצורה מוזרה. בעוד שה-Retro-Cascorder יכול לדעת את רצף הפעלות הגנים, הוא לא יכול לאתר את ה-timelapse בין שני אירועים סמוכים. כמו בסרטון ביתי, קליפ של חזרה על ריקוד ואחריה ארוחת ערב עשוי להיות באותו היום; או בהפרש של שנים.
אבל בהשוואה לניסיונות קודמים, הקלטת היא קפיצת מדרגה טכנולוגית, עם אותות טובים יותר, משך הקלטה ארוך יותר והשמעה טובה יותר.
"זו עדיין לא מערכת מושלמת, אבל אנחנו חושבים שהיא עדיין תהיה טובה יותר משיטות קיימות, שמאפשרות רק למדוד אירוע אחד בכל פעם", אמר שיפמן.
המירוץ אחר המתעד הסלולרי המושלם בעיצומו, ולרובם יש CRISPR במרכזם. עבור Yachie, דרך אחת היא להחליף את good-ole'-CRISPR ב עורכי בסיס or CRISPR פריים, שניהם גורמים פחות נזק לגנום התא. גם ה-"VCR" הביולוגי - הקורא בחזרה את הביטוי המתועד של הגן - זקוק לשדרוג, פוטנציאלי המופעל על ידי כושר מחשוב טוב יותר.
כשהם משוכללים יותר, מכשירי ה-DNA יוכלו לעזור לנו לעקוב אחר מסלול ההתפתחות של מיני-מוחים ואורגנואידים אחרים, לחקור תאים סרטניים תוך כדי התפתחותם, לנטר מזהמים סביבתיים בתאים - הכל מבלי להעמיד את החיים על כף המאזניים.
תמונת אשראי: אימו ווגמן / Unsplash
