Videoclipurile acasă din copilărie pot fi emoționante, hilare sau de-a dreptul jenante. Însă casetele conțin o resursă neprețuită: fragmente din călătoria unui copil în timp ce învață să navigheze prin lume. Sigur, fotografiile pot surprinde și o primă zi de naștere sau o primă cădere de pe bicicletă, dar mai degrabă decât un film, sunt instantanee unice în timp.
Oamenii de știință au încercat de mult să încorporeze „camere” ADN în celule pentru a le surprinde istoria. La fel ca și copiii, celulele cresc, se diversifică și se maturizează pe măsură ce interacționează cu mediul. Aceste modificări sunt încorporate în activitatea genei unei celule și, reconstruindu-le în timp, oamenii de știință pot deduce starea actuală a unei celule – de exemplu, devine canceroasă?
Tehnologia „ar aprofunda cunoștințele despre dezvoltarea și biologia cancerului, care ar putea fi traduse în strategii terapeutice”. a spus Dr. Nozomu Yachie și colegii de la Universitatea din Columbia Britanică.
Problema? Procesul de înregistrare a fost, până în prezent, compus doar din instantanee unice și a distrus celula, făcând imposibilă urmărirea creșterii acesteia.
Acum, o echipă condusă de Dr. Seth Shipman de la Institutul Gladstone UCSF a proiectat un înregistrator biologic— supranumit Retro-Cascorder — care, la fel ca o cameră video de o școală veche, poate surprinde istoricul expresiei genetice a unei celule pe o „bandă” ADN, zile întregi. Datorită CRISPR, aceste „benzi” sunt apoi integrate în genomul celulei, care poate fi citit la o dată ulterioară.
Datele rezultate nu sunt exact Videoclipurile cele mai frumoase din America. Mai degrabă, este mai degrabă un registru care documentează semnale biologice multiple și le stochează ordonat, în ordine cronologică.
„Acest nou mod de a colecta date moleculare ne oferă o fereastră fără precedent asupra celulelor.” a spus Armatorul. Pe lângă urmărirea cu urechea în istoria dezvoltării unei celule – de exemplu, modul în care aceasta s-a diversificat de la o celulă stem comună – adăugarea Retro-Cascorder ar putea transforma celulele normale în biosenzori vii care monitorizează poluarea, virușii sau alți contaminanți, testând în același timp capacitatea ADN-ului ca un dispozitiv fiabil de stocare a datelor.
Ascensiunea benzilor ADN
De ce să urmăriți istoricul unei celule?
Imaginează-ți o celulă în copilărie. Pornind de la un ovul fertilizat, crește, își schimbă aspectul exterior - într-o celulă a pielii sau într-un neuron, de exemplu - și pentru celulele reproductive, transmite informații genetice copiilor săi. Călătoria unei celule prin viață nu este stabilită doar de genetica ei – mai degrabă, modul în care sunt efectuate instrucțiunile sale genetice depinde de interacțiunile atât cu vecinii ei celulari, cât și cu lumea exterioară: dietă, exerciții fizice, stres și orice experimentează gazda umană.
Aceste indicii de natură și hrănire declanșează o celulă să activeze un anumit tipar de gene - un proces numit expresia genică. Toate celulele noastre adăpostesc același set de gene; ceea ce le face diferite este care sunt pornite sau dezactivate. Expresia genelor este extrem de puternică: poate schimba identitatea celulei, funcția și, în cele din urmă, procesele biologice care guvernează viața.
Ar fi grozav să aruncăm o privire în interiorul funcționării lor interioare.
O modalitate este abordarea instantanee. Folosind tehnologii „omice” – adică analizând milioane de celule în același timp pentru expresia genelor, metabolismul sau alte stări – putem obține un instantaneu de înaltă rezoluție a unui grup de celule la un moment dat. Deși este puternic, procesul distruge proba. Motivul este că citirea informațiilor despre expresia genelor stocate în celule, o metodă numită RNAseq, necesită descompunerea învelișului gras și cu bule a celulei pentru a accesa și extrage moleculele. Imaginați-vă că ați îndreptat telescopul James Webb în orice punct din spațiu, știind că telescopul va șterge orice vede - da, nu grozav.
Benzile ADN au o abordare diferită. Asemenea unui editor video, ei „etichetează” evenimentele unei celule cu un cod de bare format din litere ADN – un pic ca o ștampilă de timp. Shipman nu este străin să folosească ADN-ul ca dispozitiv de stocare. În 2017, lucrând cu biologul sintetic Dr. George Church de la Harvard și echipa, au codificat un film digital în genomul bacteriilor vii folosind CRISPR.
Un jurnal ADN
Noul studiu a avut un obiectiv relativ simplu: ca o cameră declanșată de mișcare, începeți să înregistrați oricând se pornește o anumită genă.
Pentru a proiecta Retro-Cascorder, echipa a apelat la un element genetic enigmatic, retronii. Acestea sunt mici bucăți de ADN bacterian care i-au deranjat pe oamenii de știință timp de zeci de ani, înainte de a realiza că fac parte din sistemul imunitar al unei bacterii. Înapoi în 2021, coautor al studiului Church a transformat retronii dintr-o ciudată ciudată bacteriană într-un instrument de editare a genelor care pot analiza milioane de variații ADN și pot urmări efectele acestora, în același timp. În mod crucial, ei și-au dat seama că retronii pot fi folosiți ca etichete pentru a marca în timp o anumită schimbare genetică.
Aici, echipa a început prin a proiecta retroni pentru a produce etichete ADN specifice, cum ar fi tipărirea unei serii de coduri de bare pentru a marca pachetele. Etichetele sunt legate de promotorii ADN, care, ca un semafor, dau celulei dreptul de a activa o genă.
Odată ce o genă se activează, retronul generează automat un cod de bare unic care îi certifică activitatea. Este un proces în mai multe etape: eticheta, codificată inițial în ADN, este mai întâi transcrisă în ARN de către celulă, iar apoi rescrisă înapoi în „chitanțe” ADN de către retroni.
Gândiți-vă la o casă de marcat de restaurant. Acesta este echivalentul tipăririi unei comenzi, la un anumit moment, cu o chitanță.
După ce a verificat că tehnologia funcționează conform așteptărilor, echipa s-a orientat apoi către realizarea de „filme” ale unei celule folosind etichete bazate pe retron. Nu este un videoclip în sensul tradițional: echipa a fost încă nevoită să analizeze codurile de bare la sfârșitul unei sesiuni de înregistrare – în jur de 24 de ore – pentru redare, ceea ce distruge celulele.
Urmărirea modificărilor expresiei genelor într-un singur instantaneu în timp este relativ simplă. Urmărirea acelorași schimbări pe parcursul unei zile este mult mai dificilă. Pentru a construi un fel de „memorie” pentru reportofon, echipa a apelat la CRISPR-Cas. Aici, matricele CRISPR acționează ca jurnal, în timp ce retronii ca intrări zilnice. Recepțiile ADN, generate de retroni, sunt încorporate într-o matrice CRISPR. La fel ca casetele, acestea conțin date urmate de distanțiere, ca un ecran negru, pentru a ajuta la separarea evenimentelor. Pe măsură ce se adaugă informații noi, distanțierele anterioare se îndepărtează mai mult de cea mai apropiată intrare, făcând posibilă descifrarea unei cronologie a evenimentelor.
Celulele cu capacitatea de a folosi CRISPR pentru a scrie date genetice „pot înregistra progresiv evenimentele celulare... în benzi ADN”, a spus Yachie.
Într-o dovadă de concept, echipa a introdus Retro-Cascorder în Escherichia coli (E. Coli), bacteria preferată a laboratorului, prin inginerie genetică. Încorporarea noului construct a fost o briză pentru bug și un semn bun pentru oamenii de știință, deoarece sugerează puțin stres sau toxicitate pentru celule.
Apoi au activat unul sau ambii promotori ADN folosind substanțe chimice, cum ar fi făcând clic pe „înregistrare” pe un Walkman. Peste 48 de ore, sistemul a înregistrat modificări ale expresiei genelor, așa cum era de așteptat, în matricea CRISPR. După ce au săpat în continuare în secvența matricelor CRISPR – adică, le-au citit înapoi după aceea – au descoperit că istoricul celulei a progresat conform așteptărilor.
O întreagă istorie a ta
Noua casetă ADN este ca și cum ați înregistra mici fragmente dintr-un film de-a lungul timpului. Dar este editat ciudat. În timp ce Retro-Cascorder poate spune secvența activărilor genelor, nu poate identifica intervalul de timp dintre două evenimente adiacente. Ca într-un videoclip de acasă, un clip al unei repetiții de dans urmată de o cină ar putea fi în aceeași zi; sau la ani distanță.
Dar, în comparație cu încercările anterioare, banda este un salt tehnologic, cu semnale mai bune, durată mai lungă de înregistrare și redare mai bună.
„Acesta nu este încă un sistem perfect, dar credem că va fi în continuare mai bun decât metodele existente, care vă permit să măsurați doar un eveniment la un moment dat”, a spus Shipman.
Cursa pentru documentarul perfect mobil este pornită, iar majoritatea au CRISPR în centrul lor. Pentru Yachie, o modalitate este de a înlocui good-ole'-CRISPR cu editori de bază or CRISPR prime, ambele cauzează mai puține daune genomului celulei. „VCR” biologic – care citește înapoi expresia înregistrată a unei gene – are, de asemenea, nevoie de o actualizare, potențial alimentată de o mai bună pricepere de calcul.
Când sunt mai perfecționați, înregistratoarele ADN ne-ar putea ajuta să urmărim traiectoria de dezvoltare a mini-creierului și a altor organoizi, să studiem celulele canceroase pe măsură ce evoluează, să monitorizăm poluanții de mediu din celule - totul fără a pune vieți în joc.
Credit imagine: Immo Wegmann / Unsplash
