子供時代のホーム ビデオは、心温まるもの、陽気なもの、または実に恥ずかしいものです。 しかし、テープには非常に貴重なリソースが含まれています。それは、子供たちが世界をナビゲートする方法を学ぶ過程の断片です。 確かに、写真は最初の誕生日や自転車からの最初の落下も捉えることができますが、映画ではなく、時間内の単一のスナップショットです.
科学者たちは長い間、DNA「カムコーダー」を細胞に埋め込んでその歴史を記録しようとしてきました。 子供のように、細胞は環境と相互作用しながら成長し、多様化し、成熟します。 これらの変化は細胞の遺伝子活動に組み込まれており、時間をかけて再構築することで、科学者は細胞の現在の状態を推測できます。
この技術は、「治療戦略に変換できる発生および癌生物学に関する知識を深めるでしょう」と、 と ブリティッシュ・コロンビア大学の谷内江望博士ら。
問題？ これまでの記録プロセスは単一のスナップショットのみで構成されており、細胞を破壊しており、その成長を追跡することは不可能です。
現在、UCSF グラッドストーン研究所の Seth Shipman 博士が率いるチームは、 生物学的レコーダーを設計した—レトロカスコーダーと呼ばれる—古い学校のカムコーダーのように、細胞の遺伝子発現履歴を一度に何日も DNA「テープ」に記録することができます。 CRISPR のおかげで、これらの「テープ」は細胞のゲノムに組み込まれ、後で読み取ることができます。
結果のデータは正確ではありません アメリカのおかしなホームビデオ. むしろ、複数の生体信号を文書化し、それらを時系列にきちんと保存する台帳のようなものです。
「分子データを収集するこの新しい方法は、細胞への前例のない窓を私たちに与えてくれます。」 と シップマン。 たとえば、一般的な幹細胞からどのように多様化したかなど、細胞の発生の歴史を盗聴することは別として、Retro-Cascorder を追加することで、正常な細胞を、汚染、ウイルス、またはその他の汚染物質を監視する生きたバイオセンサーに変えることができます。信頼性の高いデータ ストレージ デバイス。
DNAテープの台頭
なぜ細胞の履歴を追跡するのですか?
細胞が子供の頃を想像してみてください。 受精卵から始まり、成長し、外見を変化させます。たとえば、皮膚細胞やニューロンに変わります。生殖細胞の場合は、遺伝情報を子供に伝えます。 細胞の生涯の旅は、その遺伝学だけで決まるわけではありません。むしろ、その遺伝的指示がどのように実行されるかは、細胞の隣人と外界の両方との相互作用に依存します。つまり、食事、運動、ストレス、および宿主である人間が経験するあらゆるものです。
これらの自然と育成のプロンプトは、細胞が特定のパターンの遺伝子を活性化するようにトリガーします。これは、遺伝子発現と呼ばれるプロセスです。 私たちの細胞はすべて同じ遺伝子セットを持っています。 それらの違いは、どちらがオンまたはオフになっているかです。 遺伝子発現は非常に強力です。細胞のアイデンティティ、機能、そして最終的には生命を支配する生物学的プロセスを変えることができます。
彼らの内部の仕組みをのぞいてみるのもいいでしょう。
XNUMX つの方法は、スナップショット アプローチです。 「オミクス」技術、つまり遺伝子発現、代謝、またはその他の状態について同時に何百万もの細胞を分析する技術を使用すると、特定の時間における細胞グループの高解像度のスナップショットを取得できます。 強力ですが、プロセスはサンプルを破壊します。 その理由は、細胞内に保存されている遺伝子発現情報を読み取るには、RNAseq と呼ばれる方法で、細胞の脂肪の多い気泡エンベロープを分解して分子にアクセスして抽出する必要があるためです。 ジェームズ ウェッブ望遠鏡を宇宙の任意の地点に向けることを想像してみてください。望遠鏡は目に見えるものをすべて消し去ることを知っていますが、そうではありません。
DNA テープは異なるアプローチをとります。 ビデオ編集者のように、タイムスタンプに少し似た、DNA 文字で構成されたバーコードで細胞のイベントに「タグ付け」します。 Shipman 氏は、DNA をストレージ デバイスとして使用することに慣れています。 2017年、ハーバード大学の合成生物学者ジョージ・チャーチ博士とそのチームと協力して、 彼らは暗号化した CRISPR を使用した生きた細菌のゲノムへのデジタル ムービー。
DNA日記
新しい研究の目標は比較的単純でした。モーショントリップカメラのように、特定の遺伝子がオンになるたびに記録を開始します。
Retro-Cascorder を設計するために、チームは謎めいた遺伝的要素であるレトロンに目を向けました。 これらは細菌の DNA の小さな塊であり、細菌の免疫系の一部を形成していることに気付くまで、何十年も科学者を困惑させてきました。 戻る2021で、研究共著者のチャーチは、奇妙な細菌の癖からレトロンを変換しました 遺伝子編集ツールに 何百万もの DNA バリエーションをスクリーニングし、同時にその影響を追跡できます。 重要なことに、彼らはレトロンをタグとして使用して、特定の遺伝子変化をタイムスタンプできることに気付きました。
ここでチームは、特定の DNA タグを生成するようにレトロンを設計することから始めました。たとえば、一連のバーコードを印刷してパッケージに印を付けます。 タグは DNA プロモーターにリンクされており、信号機のように細胞に遺伝子をオンにする許可を与えます。
遺伝子がオンになると、レトロンはその活性を証明する固有のバーコードを自動的に生成します。 これは多段階のプロセスです。もともと DNA にエンコードされていたタグは、まず細胞によって RNA に転写され、次にレトロンによって DNA の「レシート」に書き戻されます。
レストランのレジを考えてみてください。 これは、特定の時間に XNUMX つの注文を XNUMX つの領収書で印刷することに相当します。
技術が期待どおりに機能することを確認した後、チームはレトロンベースのタグを使用して細胞の「動画」を作成することに取り掛かりました。 これは従来の意味でのビデオではありません。チームは、記録セッションの最後 (約 24 時間) にバーコードを分析して再生し、細胞を破壊する必要がありました。
XNUMX つのスナップショットで遺伝子発現の変化を追跡することは比較的簡単です。 XNUMX 日を通して同じ変化を追跡することは、はるかに困難です。 レコーダーの一種の「記憶」を構築するために、チームは CRISPR-Cas に目を向けました。 ここで、CRISPR アレイは日記として機能しますが、retrons は毎日のエントリのように機能します。 レトロンによって生成された DNA レシートは、CRISPR アレイに組み込まれます。 カセット テープのように、データとそれに続く黒いスクリーンのようなスペーサーが含まれており、イベントを分離するのに役立ちます。 新しい情報が追加されると、以前のスペーサーは最も近いエントリからさらに離れて移動し、イベントのタイムラインを解読することが可能になります。
CRISPR を使用して遺伝子データを書き込む能力を備えた細胞は、「細胞イベントを徐々に記録できます…DNA テープに記録できます」と Yachie 氏は述べています。
概念実証で、チームは Retro-Cascorder を 大腸菌 (E. Coli)、遺伝子工学によるラボのお気に入りのバクテリア。 新しい構造を組み込むことは、バグにとっては簡単なことであり、細胞へのストレスや毒性がほとんどないことを示唆しているため、科学者にとっては良い兆候です.
次に、ウォークマンで「記録」をクリックするなど、化学物質を使用して DNA プロモーターのいずれかまたは両方をオンにしました。 48 時間以上にわたって、システムは期待どおりに遺伝子発現の変化を CRISPR アレイに記録しました。 CRISPR配列のシーケンスをさらに掘り下げた後、つまり後でそれらを読み戻した後、彼らは細胞の歴史が予想通りに進んだことを発見しました.
あなたの全歴史
新しい DNA テープは、映画の小さな断片を時系列で記録するようなものです。 でも編集がおかしい。 Retro-Cascorder は遺伝子活性化のシーケンスを知ることができますが、隣接する XNUMX つのイベント間のタイムラプスを特定することはできません。 ホーム ビデオのように、ダンスのリハーサルとその後のディナーのクリップが同じ日にある場合があります。 または何年も離れています。
しかし、以前の試みと比較すると、テープは技術的な飛躍であり、信号が改善され、録音時間が長くなり、再生が改善されました。
「これはまだ完璧なシステムではありませんが、一度に XNUMX つのイベントしか測定できない既存の方法よりも優れていると考えています」と Shipman 氏は述べています。
完璧なセルラー ドキュメンタリアンをめぐる競争は続いており、そのほとんどが CRISPR を中心に据えています。 やちえさんへ、ひとつの方法は good-ole'-CRISPR を ベースエディター or CRISPRプライム、どちらも細胞のゲノムへの損傷が少なくなります。 遺伝子の記録された発現を読み取る生物学的「VCR」もアップグレードが必要であり、より優れたコンピューティング能力によって強化される可能性があります。
DNA レコーダーがさらに完成すれば、ミニ脳やその他のオルガノイドの発達の軌跡を追跡したり、がん細胞の進化を研究したり、細胞内の環境汚染物質を監視したりするのに、すべて命を危険にさらすことなく行うことができるようになります。
