Homevideo's uit je kindertijd kunnen hartverwarmend, hilarisch of ronduit gênant zijn. Maar de banden bevatten een bron van onschatbare waarde: fragmenten van de reis van een kind terwijl het leert om door de wereld te navigeren. Natuurlijk kunnen foto's ook een eerste verjaardag of een eerste val van een fiets vastleggen, maar in plaats van een film zijn het enkelvoudige momentopnames.
Wetenschappers hebben lang gezocht naar het inbedden van DNA-camcorders in cellen om hun geschiedenis vast te leggen. Net als kinderen groeien, diversifiëren en rijpen cellen terwijl ze in wisselwerking staan met de omgeving. Deze veranderingen zijn ingebed in de genactiviteit van een cel, en door ze in de loop van de tijd te reconstrueren, kunnen wetenschappers de huidige toestand van een cel afleiden - wordt het bijvoorbeeld kanker?
De technologie "zou de kennis over ontwikkelings- en kankerbiologie verdiepen die zou kunnen worden vertaald in therapeutische strategieën", zei Dr. Nozomu Yachie en collega's aan de Universiteit van British Columbia.
Het probleem? Het opnameproces bestond tot nu toe alleen uit enkele snapshots en heeft de cel vernietigd, waardoor het onmogelijk is om de groei te volgen.
Nu, een team onder leiding van Dr. Seth Shipman van het UCSF Gladstone Institute ontwikkelde een biologische recorder— Retro-Cascorder genaamd — die, net als een ouderwetse camcorder, dagenlang de genexpressiegeschiedenis van een cel op een DNA-tape kan vastleggen. Dankzij CRISPR worden deze 'tapes' vervolgens geïntegreerd in het genoom van de cel, dat later kan worden uitgelezen.
De resulterende gegevens zijn niet precies America's Funniest Home Videos. Het is eerder een grootboek dat meerdere biologische signalen documenteert en netjes in chronologische volgorde opslaat.
"Deze nieuwe manier om moleculaire gegevens te verzamelen, geeft ons een ongekend inzicht in cellen", zei schipper. Afgezien van het afluisteren van de ontwikkelingsgeschiedenis van een cel - bijvoorbeeld hoe deze zich heeft gediversifieerd van een gewone stamcel - zou het toevoegen van Retro-Cascorder normale cellen kunnen transformeren in levende biosensoren die controleren op vervuiling, virussen of andere verontreinigingen, terwijl ze tegelijkertijd het vermogen van DNA als een betrouwbaar apparaat voor gegevensopslag.
De opkomst van DNA-tapes
Waarom de geschiedenis van een cel volgen?
Stel je een cel voor als kind. Beginnend met een bevruchte eicel, groeit het, verandert het van uiterlijk - in een huidcel of een neuron bijvoorbeeld - en geeft het voor voortplantingscellen genetische informatie door aan zijn kinderen. De reis van een cel door het leven wordt niet alleen bepaald door zijn genetica - de manier waarop zijn genetische instructies worden uitgevoerd, hangt eerder af van interacties met zowel zijn cellulaire buren als de buitenwereld: dieet, lichaamsbeweging, stress en alles wat zijn menselijke gastheer ervaart.
Deze natuur- en opvoedingsaanwijzingen triggeren een cel om een bepaald patroon van genen te activeren - een proces dat genexpressie wordt genoemd. Al onze cellen herbergen dezelfde set genen; wat ze anders maakt, is welke zijn in- of uitgeschakeld. Genexpressie is enorm krachtig: het kan de identiteit, functie en uiteindelijk de biologische processen van een cel veranderen die het leven beheersen.
Het zou geweldig zijn om een kijkje te nemen in hun innerlijke werking.
Een manier is de snapshot-benadering. Met behulp van 'omics'-technologieën - dat wil zeggen, miljoenen cellen tegelijkertijd analyseren op genexpressie, metabolisme of andere toestanden - kunnen we een momentopname met hoge resolutie krijgen van een groep cellen op een bepaald moment. Hoewel krachtig, vernietigt het proces het monster. De reden is dat het lezen van de genexpressie-informatie die in de cellen is opgeslagen, een methode die RNAseq wordt genoemd, het afbreken van de vettige, bubbelende envelop van de cel vereist om toegang te krijgen tot de moleculen en deze te extraheren. Stel je voor dat je de James Webb-telescoop op een willekeurig punt in de ruimte richt, wetende dat de telescoop alles zal vernietigen wat hij ziet - ja, niet geweldig.
DNA-tapes hebben een andere benadering. Net als een video-editor "taggen" ze de gebeurtenissen in een cel met een streepjescode die bestaat uit DNA-letters - een beetje zoals een tijdstempel. Shipman is geen onbekende in het gebruik van DNA als opslagapparaat. In 2017, werkend met synthetisch bioloog Dr. George Church aan Harvard en team, zij codeerden een digitale film in het genoom van levende bacteriën met behulp van CRISPR.
Een DNA-dagboek
De nieuwe studie had een relatief eenvoudig doel: net als een camera die door beweging wordt uitgeschakeld, beginnen met opnemen wanneer een bepaald gen wordt ingeschakeld.
Om Retro-Cascorder te ontwerpen, wendde het team zich tot een enigmatisch genetisch element, retrons. Dit zijn kleine stukjes bacterieel DNA die wetenschappers decennia lang in verwarring hebben gebracht, voordat ze zich realiseerden dat ze deel uitmaken van het immuunsysteem van een bacterie. Back in 2021, bestudeer co-auteur Church transformeerde retronen van een rare bacteriële gril in een tool voor het bewerken van genen die miljoenen DNA-variaties kan screenen en tegelijkertijd hun effecten kan volgen. Cruciaal was dat ze zich realiseerden dat retronen kunnen worden gebruikt als tags om een bepaalde genetische verandering in de tijd te markeren.
Hier begon het team met het ontwerpen van retronen om specifieke DNA-tags te produceren, zoals het afdrukken van een reeks streepjescodes om pakketten te markeren. De tags zijn gekoppeld aan DNA-promotors, die de cel, net als een stoplicht, toestemming geven om een gen aan te zetten.
Zodra een gen wordt ingeschakeld, genereert de retron automatisch een unieke streepjescode die zijn activiteit certificeert. Het is een proces dat uit meerdere stappen bestaat: de tag, oorspronkelijk gecodeerd in DNA, wordt eerst door de cel in RNA getranscribeerd en vervolgens door retronen teruggeschreven in DNA-'ontvangsten'.
Denk aan een restaurantkassa. Dat staat gelijk aan het afdrukken van één bestelling, op een bepaald tijdstip, met één bon.
Na te hebben geverifieerd dat de technologie werkt zoals verwacht, ging het team over tot het maken van 'films' van een cel met behulp van op retron gebaseerde tags. Het is geen video in de traditionele zin: het team moest de streepjescodes aan het einde van een opnamesessie - ongeveer 24 uur - nog analyseren om ze af te spelen, waardoor de cellen vernietigd worden.
Het bijhouden van veranderingen in genexpressie in één momentopname is relatief eenvoudig. Het is veel moeilijker om dezelfde veranderingen gedurende een dag bij te houden. Om een soort "geheugen" voor de recorder op te bouwen, wendde het team zich tot CRISPR-Cas. Hier fungeren CRISPR-arrays als het dagboek, terwijl retrons als dagelijkse invoer fungeren. De DNA-ontvangsten, gegenereerd door retrons, worden opgenomen in een CRISPR-array. Net als cassettebandjes bevatten ze gegevens gevolgd door afstandhouders, zoals een zwart scherm, om gebeurtenissen te scheiden. Naarmate nieuwe informatie wordt toegevoegd, schuiven eerdere afstandhouders verder weg van de dichtstbijzijnde ingang, waardoor het mogelijk wordt om een tijdlijn van gebeurtenissen te ontcijferen.
Cellen die CRISPR kunnen gebruiken om genetische gegevens te schrijven "kunnen geleidelijk cellulaire gebeurtenissen vastleggen ... in DNA-banden", zei Yachie.
In een proof-of-concept introduceerde het team Retro-Cascorder in Escherichia coli (E. Coli), de favoriete bacterie van het laboratorium, door middel van genetische manipulatie. Het opnemen van de nieuwe constructie was een makkie voor de bug en een goed teken voor de wetenschappers, omdat het weinig stress of toxiciteit voor de cellen suggereert.
Vervolgens schakelden ze een of beide DNA-promotors in met behulp van chemicaliën, zoals het klikken op 'opnemen' op een Walkman. Gedurende 48 uur registreerde het systeem veranderingen in genexpressie zoals verwacht in de CRISPR-array. Na verder te hebben gegraven in de reeks CRISPR-arrays - dat wil zeggen, ze daarna terug te lezen - ontdekten ze dat de geschiedenis van de cel verliep zoals verwacht.
Een hele geschiedenis van jou
De nieuwe DNA-tape is als het opnemen van kleine fragmenten van een film door de tijd. Maar het is vreemd bewerkt. Hoewel de Retro-Cascorder de volgorde van genactiveringen kan zien, kan hij de timelapse tussen twee aangrenzende gebeurtenissen niet bepalen. Net als in een homevideo kan een clip van een dansrepetitie gevolgd door een diner op dezelfde dag zijn; of jaren uit elkaar.
Maar vergeleken met eerdere pogingen is de tape een technologische sprong voorwaarts, met betere signalen, een langere opnameduur en een betere weergave.
"Dit is nog geen perfect systeem, maar we denken dat het nog steeds beter zal zijn dan de bestaande methoden, waarmee je maar één gebeurtenis tegelijk kunt meten", zegt Shipman.
De race voor de perfecte cellulaire documentairemaker is begonnen en de meeste hebben CRISPR als middelpunt. Voor Yachie is een manier om good-ole'-CRISPR te vervangen door basiseditors or CRISPR-prime, die beide minder schade aan het genoom van de cel veroorzaken. De biologische "VCR" - die de geregistreerde expressie van een gen terugleest - heeft ook een upgrade nodig, mogelijk aangedreven door betere rekenvaardigheid.
Wanneer ze meer geperfectioneerd zijn, kunnen DNA-recorders ons helpen het ontwikkelingstraject van mini-hersenen en andere organoïden te volgen, kankercellen te bestuderen terwijl ze evolueren, te controleren op milieuverontreinigende stoffen in cellen - allemaal zonder levens op het spel te zetten.
Krediet van het beeld: Immo Wegman / Unsplash
