Домашнее видео из детства может быть трогательным, веселым или откровенно смущающим. Но записи содержат бесценный ресурс: фрагменты путешествия ребенка, когда он учится ориентироваться в мире. Конечно, фотографии также могут запечатлеть первый день рождения или первое падение с велосипеда, но это не фильм, а одиночные снимки во времени.
Ученые давно пытались встроить «видеокамеры» ДНК в клетки, чтобы запечатлеть их историю. Подобно детям, клетки растут, диверсифицируются и взрослеют по мере взаимодействия с окружающей средой. Эти изменения заложены в генной активности клетки, и, реконструируя их с течением времени, ученые могут сделать вывод о текущем состоянии клетки — например, становится ли она раковой?
Технология «углубит знания о биологии развития и рака, которые можно будет использовать в терапевтических стратегиях». — сказал Доктор Нозому Ячи и его коллеги из Университета Британской Колумбии.
Проблема? Процесс записи до настоящего времени состоял только из отдельных снимков и уничтожил клетку, что сделало невозможным отслеживание ее роста.
Теперь группа под руководством доктора Сета Шипмана из Института Гладстона Калифорнийского университета в Сан-Франциско разработал биологический регистратор- получивший название Retro-Cascorder, - который, как старая школьная видеокамера, может записывать историю экспрессии клеточного гена на «ленту» ДНК в течение нескольких дней. Благодаря CRISPR эти «ленты» затем интегрируются в геном клетки, который можно прочитать позднее.
Полученные данные не совсем Самое смешное домашнее видео Америки. Скорее, это больше похоже на бухгалтерскую книгу, которая документирует несколько биологических сигналов и аккуратно хранит их в хронологическом порядке.
«Этот новый способ сбора молекулярных данных дает нам беспрецедентное окно в клетки», — сказал Шипман. Помимо подслушивания истории развития клетки — например, того, как она диверсифицировалась из обычной стволовой клетки — добавление Retro-Cascorder может превратить нормальные клетки в живые биосенсоры, которые отслеживают загрязнение, вирусы или другие загрязняющие вещества, все время проверяя способность ДНК как надежное устройство хранения данных.
Восстание лент ДНК
Зачем отслеживать историю ячейки?
Представьте клетку в виде ребенка. Начав с оплодотворенной яйцеклетки, она растет, меняет свой внешний вид — например, в клетку кожи или нейрон, — а в отношении репродуктивных клеток передает своим детям генетическую информацию. Путешествие клетки по жизни определяется не только ее генетикой — скорее то, как выполняются ее генетические инструкции, зависит от взаимодействия как с соседними клетками, так и с внешним миром: от диеты, физических упражнений, стресса и всего, что испытывает человек-хозяин.
Эти подсказки природы и воспитания заставляют клетку активировать определенный набор генов — процесс, получивший название экспрессии генов. Все наши клетки содержат один и тот же набор генов; что отличает их, так это то, какие из них включены или выключены. Экспрессия генов имеет огромную силу: она может изменить клеточную идентичность, функцию и, в конечном счете, биологические процессы, управляющие жизнью.
Было бы здорово заглянуть внутрь их внутренней работы.
Одним из способов является метод моментального снимка. Используя технологии «омики», то есть анализируя миллионы клеток одновременно на предмет экспрессии генов, метаболизма или других состояний, мы можем получить снимок группы клеток с высоким разрешением в определенный момент времени. Несмотря на свою мощность, процесс разрушает образец. Причина в том, что чтение информации об экспрессии генов, хранящейся в клетках, методом, получившим название RNAseq, требует разрушения жировой пузырьковой оболочки клетки, чтобы получить доступ к молекулам и извлечь их. Представьте, что вы направляете телескоп Джеймса Уэбба на любую точку пространства, зная, что телескоп сотрет все, что увидит, — да, не очень хорошо.
Ленты ДНК используют другой подход. Подобно видеоредактору, они «помечают» события клетки штрих-кодом, состоящим из букв ДНК, — что-то вроде временной метки. Шипману не привыкать использовать ДНК в качестве запоминающего устройства. Еще в 2017 году, работая с биологом-синтетиком доктором Джорджем Черчем из Гарварда и его командой, они закодировали цифровой фильм в геном живых бактерий с помощью CRISPR.
Дневник ДНК
Новое исследование преследовало относительно простую цель: подобно камере с датчиком движения, начать запись в любое время, когда включается определенный ген.
Чтобы разработать Retro-Cascorder, команда обратилась к загадочному генетическому элементу, ретронам. Это маленькие кусочки бактериальной ДНК, которые десятилетиями сбивали ученых с толку, прежде чем они поняли, что они являются частью иммунной системы бактерий. Еще в 2021, соавтор исследования Черч превратил ретроны из странной бактериальной причуды в инструмент редактирования генов который может сканировать миллионы вариаций ДНК и одновременно отслеживать их эффекты. Важно отметить, что они поняли, что ретроны можно использовать в качестве меток для временной отметки конкретного генетического изменения.
Здесь команда начала с разработки ретронов для производства определенных ДНК-меток — например, печати серии штрих-кодов для маркировки пакетов. Метки связаны с промоутерами ДНК, которые, как светофор, дают клетке возможность включить ген.
Как только ген включается, ретрон автоматически генерирует уникальный штрих-код, подтверждающий его активность. Это многоэтапный процесс: метка, изначально закодированная в ДНК, сначала транскрибируется клеткой в РНК, а затем ретронами перезаписывается обратно в «рецепты» ДНК.
Подумайте о кассовом аппарате ресторана. Это эквивалентно распечатке одного заказа в определенное время с одной квитанцией.
Убедившись, что технология работает должным образом, команда приступила к созданию «фильмов» о клетке с использованием тегов на основе ретрона. Это не видео в традиционном смысле: команде все еще приходилось анализировать штрих-коды в конце сеанса записи — около 24 часов — для воспроизведения, что разрушает клетки.
Отследить изменения экспрессии генов в одном снимке во времени относительно просто. Уследить за одними и теми же изменениями в течение дня гораздо сложнее. Чтобы создать своего рода «память» для записывающего устройства, команда обратилась к CRISPR-Cas. Здесь массивы CRISPR действуют как дневник, а ретроны — как ежедневные записи. Рецепты ДНК, созданные ретронами, включаются в массив CRISPR. Как и кассеты, они содержат данные, за которыми следуют разделители, такие как черный экран, чтобы разделить события. По мере добавления новой информации предыдущие разделители смещаются дальше от ближайшей записи, что позволяет расшифровать хронологию событий.
Клетки, способные использовать CRISPR для записи генетических данных, «могут постепенно записывать клеточные события… на ленты ДНК», — сказал Ячи.
В качестве проверки концепции команда представила Retro-Cascorder в Кишечная палочка (E. Coli), любимые бактерии лаборатории, с помощью генной инженерии. Внедрение новой конструкции было легкой задачей для жука и хорошим знаком для ученых, поскольку предполагает небольшой стресс или токсичность для клеток.
Затем они включали один или оба промоутера ДНК с помощью химических веществ, например, нажимая «запись» на проигрывателе Walkman. В течение 48 часов система записывала ожидаемые изменения экспрессии генов в массив CRISPR. После дальнейшего изучения последовательности массивов CRISPR, то есть их последующего считывания, они обнаружили, что история клетки развивалась, как и ожидалось.
Вся история о тебе
Новая лента ДНК похожа на запись маленьких фрагментов фильма во времени. Но это странно отредактировано. Хотя Retro-Cascorder может определить последовательность активации генов, он не может точно определить промежуток времени между двумя соседними событиями. Как и в домашнем видео, клип с танцевальной репетицией, за которой следует ужин, может быть снят в один и тот же день; или лет друг от друга.
Но по сравнению с предыдущими попытками лента представляет собой технологический скачок с лучшими сигналами, большей продолжительностью записи и лучшим воспроизведением.
«Это пока не идеальная система, но мы думаем, что она будет лучше, чем существующие методы, которые позволяют измерять только одно событие за раз», — сказал Шипман.
Гонка за идеального сотового документалиста продолжается, и в центре большинства из них стоит CRISPR. Для Ячи один из способов — заменить старый добрый CRISPR на базовые редакторы or CRISPR-прайм, оба из которых вызывают меньше повреждений генома клетки. Биологический «видеомагнитофон», который считывает записанное выражение гена, также нуждается в обновлении, которое потенциально может быть основано на более совершенных вычислительных возможностях.
Когда устройства записи ДНК станут более совершенными, они смогут помочь нам отслеживать траекторию развития мини-мозга и других органоидов, изучать раковые клетки по мере их развития, следить за загрязнителями окружающей среды в клетках — и все это без риска для жизни.
Изображение Фото: Иммо Вегманн / Unsplash
