Domowe filmy z dzieciństwa mogą być ciepłe, zabawne lub wręcz krępujące. Taśmy zawierają jednak bezcenny zasób: fragmenty podróży dziecka, które uczy się poruszać po świecie. Jasne, zdjęcia mogą również uchwycić pierwsze urodziny lub pierwszy upadek z roweru — ale zamiast filmu są to pojedyncze ujęcia w czasie.
Naukowcy od dawna starali się osadzić „kamery” DNA w komórkach, aby uchwycić ich historię. Podobnie jak dzieci, komórki rosną, różnicują się i dojrzewają w interakcji ze środowiskiem. Te zmiany są wbudowane w aktywność genów komórki, a rekonstruując je w czasie, naukowcy mogą wywnioskować, jaki jest aktualny stan komórki — na przykład czy zmienia się ona w rakową?
Technologia „pogłębiłaby wiedzę o biologii rozwojowej i nowotworowej, którą można by przełożyć na strategie terapeutyczne” powiedziany Dr Nozomu Yachie i współpracownicy z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej.
Problem? Proces rejestracji do tej pory składał się tylko z pojedynczych migawek i zniszczył komórkę, uniemożliwiając śledzenie jej wzrostu.
Teraz zespół kierowany przez dr. Setha Shipmana z UCSF Gladstone Institute zaprojektował rejestrator biologiczny— nazwany Retro-Cascorder — który, podobnie jak stara szkolna kamera, może przez kilka dni rejestrować historię ekspresji genów w komórce na „taśmie” DNA. Dzięki CRISPR te „taśmy” są następnie integrowane z genomem komórki, który można odczytać w późniejszym terminie.
Otrzymane dane nie są dokładnie Najśmieszniejsze domowe filmy Ameryki. Jest to raczej księga, która dokumentuje wiele sygnałów biologicznych i starannie przechowuje je w porządku chronologicznym.
„Ten nowy sposób zbierania danych molekularnych daje nam niespotykane dotąd okno na komórki” powiedziany Żeglarz. Oprócz podsłuchiwania historii rozwoju komórki – na przykład tego, jak odróżniła się od zwykłej komórki macierzystej – dodanie Retro-Cascordera może przekształcić normalne komórki w żywe bioczujniki, które monitorują zanieczyszczenia, wirusy lub inne zanieczyszczenia, jednocześnie testując zdolność DNA jako niezawodne urządzenie do przechowywania danych.
Powstanie taśm DNA
Po co śledzić historię komórki?
Wyobraź sobie komórkę jako dziecko. Zaczynając od zapłodnionego jaja, rośnie, zmienia swój wygląd zewnętrzny – na przykład w komórkę skóry lub neuron – a w przypadku komórek rozrodczych przekazuje informację genetyczną swoim dzieciom. Podróż komórki przez życie nie jest wyznaczana wyłącznie przez jej genetykę — raczej sposób, w jaki wykonywane są jej instrukcje genetyczne, zależy od interakcji zarówno z sąsiadami komórkowymi, jak i światem zewnętrznym: dieta, ćwiczenia, stres i wszystko, czego doświadcza jej ludzki gospodarz.
Te podpowiedzi natury i wychowania powodują, że komórka aktywuje określony wzorzec genów – proces nazwany ekspresją genów. Wszystkie nasze komórki mają ten sam zestaw genów; to, co je wyróżnia, to to, które z nich są włączone lub wyłączone. Ekspresja genów jest niezwykle potężna: może zmienić tożsamość komórki, jej funkcję, a ostatecznie procesy biologiczne, które rządzą życiem.
Byłoby wspaniale zajrzeć do ich wnętrza.
Jednym ze sposobów jest podejście migawkowe. Korzystając z technologii „omicznych”, czyli analizując miliony komórek jednocześnie pod kątem ekspresji genów, metabolizmu lub innych stanów, możemy uzyskać w wysokiej rozdzielczości migawkę grupy komórek w określonym czasie. Choć potężny, proces niszczy próbkę. Powodem jest to, że odczytanie informacji o ekspresji genów przechowywanych w komórkach, metoda nazwana RNAseq, wymaga rozbicia tłuszczowej, bąbelkowej otoczki komórki, aby uzyskać dostęp do cząsteczek i je wydobyć. Wyobraź sobie, że kierujesz Teleskop Jamesa Webba na dowolny punkt w przestrzeni, wiedząc, że teleskop zniszczy wszystko, co zobaczy – tak, nie wspaniale.
Taśmy DNA mają inne podejście. Podobnie jak edytor wideo, „oznaczają” zdarzenia komórki kodem kreskowym złożonym z liter DNA — trochę jak znacznik czasu. Shipman nie jest obcy w używaniu DNA jako urządzenia do przechowywania danych. W 2017 roku, pracując z biologiem syntetycznym Dr. George'em Churchem na Harvardzie i zespołem, oni zakodowali cyfrowy film przedstawiający genom żywych bakterii za pomocą CRISPR.
Dziennik DNA
Nowe badanie miało stosunkowo prosty cel: rozpocząć nagrywanie za każdym razem, gdy dany gen się włączy, tak jak w przypadku kamery wyzwalanej ruchem.
Aby zaprojektować Retro-Cascordera, zespół wykorzystał enigmatyczny element genetyczny, retrony. Są to małe kawałki bakteryjnego DNA, które przez dziesięciolecia denerwowały naukowców, zanim zdały sobie sprawę, że stanowią część układu odpornościowego bakterii. Z powrotem w 2021, współautor badania Church przekształcił retrony z dziwnego dziwactwa bakteryjnego w narzędzie do edycji genów które mogą jednocześnie monitorować miliony odmian DNA i śledzić ich skutki. Co najważniejsze, zdali sobie sprawę, że retrony mogą być używane jako znaczniki do oznaczania czasu określonej zmiany genetycznej w czasie.
Tutaj zespół rozpoczął od projektowania retronów, aby wyprodukować określone znaczniki DNA — takie jak drukowanie serii kodów kreskowych do oznaczania opakowań. Tagi są połączone z promotorami DNA, które niczym sygnalizacja świetlna umożliwiają komórce włączenie genu.
Po włączeniu genu retron automatycznie generuje unikalny kod kreskowy, który potwierdza jego aktywność. Jest to proces wieloetapowy: znacznik, pierwotnie zakodowany w DNA, jest najpierw transkrybowany przez komórkę do RNA, a następnie ponownie zapisywany z powrotem w „pokwitowaniach” DNA przez retrony.
Pomyśl o kasie restauracyjnej. To ekwiwalent wydrukowania jednego zamówienia o określonej godzinie z jednym paragonem.
Po sprawdzeniu, że technologia działa zgodnie z oczekiwaniami, zespół zajął się tworzeniem „filmów” komórki za pomocą tagów opartych na retronie. To nie jest wideo w tradycyjnym sensie: zespół nadal musiał analizować kody kreskowe pod koniec sesji nagraniowej – około 24 godzin – w celu odtworzenia, co niszczy komórki.
Śledzenie zmian ekspresji genów w jednej migawce w czasie jest stosunkowo proste. Śledzenie tych samych zmian w ciągu dnia jest znacznie trudniejsze. Aby zbudować swego rodzaju „pamięć” dla rejestratora, zespół zwrócił się do CRISPR-Cas. Tutaj tablice CRISPR działają jak dziennik, a retrony jak codzienne wpisy. Recepty DNA, generowane przez retrony, są włączane do macierzy CRISPR. Podobnie jak taśmy magnetofonowe, zawierają dane, po których następują przekładki, jak czarny ekran, aby pomóc oddzielić zdarzenia. W miarę dodawania nowych informacji poprzednie odstępniki odsuwają się dalej od najbliższego wpisu, umożliwiając rozszyfrowanie harmonogramu wydarzeń.
Komórki z możliwością wykorzystania CRISPR do zapisywania danych genetycznych „mogą stopniowo rejestrować zdarzenia komórkowe… na taśmach DNA” – powiedział Yachie.
W ramach weryfikacji koncepcji zespół wprowadził Retro-Cascorder do Escherichia coli (E. Coli), ulubione bakterie laboratorium, dzięki inżynierii genetycznej. Włączenie nowego konstruktu było pestką dla robaka i dobrym znakiem dla naukowców, ponieważ sugeruje niewielki stres lub toksyczność dla komórek.
Następnie włączyli jeden lub oba promotory DNA za pomocą środków chemicznych, takich jak kliknięcie „nagraj” na Walkmanie. W ciągu 48 godzin system zarejestrował zmiany ekspresji genów w macierzy CRISPR zgodnie z oczekiwaniami. Po dalszym zagłębianiu się w sekwencję tablic CRISPR — to znaczy odczytaniu ich później — odkryli, że historia komórki przebiegała zgodnie z oczekiwaniami.
Cała Twoja historia
Nowa taśma DNA jest jak nagrywanie krótkich fragmentów filmu w czasie. Ale jest dziwnie zredagowany. Podczas gdy Retro-Cascorder potrafi określić sekwencję aktywacji genów, nie jest w stanie określić upływu czasu pomiędzy dwoma sąsiadującymi zdarzeniami. Podobnie jak w domowym nagraniu wideo, fragment próby tanecznej, po której następuje kolacja, może być tego samego dnia; lub latami.
Ale w porównaniu z poprzednimi próbami taśma to skok technologiczny, z lepszymi sygnałami, dłuższym czasem nagrywania i lepszym odtwarzaniem.
„To nie jest jeszcze doskonały system, ale uważamy, że nadal będzie lepszy niż istniejące metody, które umożliwiają pomiar tylko jednego zdarzenia na raz” — powiedział Shipman.
Trwa wyścig o idealnego dokumentalisty komórkowego, a większość z nich ma CRISPR w swoim centrum. Dla Yachie jednym ze sposobów jest zastąpienie good-ole'-CRISPR przez redaktorzy bazowi or Pierwszy CRISPR, z których oba powodują mniejsze uszkodzenia genomu komórki. Biologiczny „VCR” — który odczytuje zarejestrowaną ekspresję genu — również wymaga ulepszenia, potencjalnie napędzanego przez lepsze możliwości obliczeniowe.
Gdy zostaną udoskonalone, rejestratory DNA mogą pomóc nam śledzić trajektorię rozwoju minimózgów i innych organoidów, badać komórki rakowe w miarę ich ewolucji, monitorować zanieczyszczenia środowiskowe w komórkach – a wszystko to bez narażania życia na ryzyko.
Kredytowych Image: Immo Wegmanna / Unsplash
