Domači videoposnetki iz otroštva so lahko prisrčni, smešni ali naravnost neprijetni. Toda posnetki vsebujejo neprecenljiv vir: izrezke otrokovega potovanja, ko se učijo krmariti po svetu. Seveda lahko fotografije zajamejo tudi prvi rojstni dan ali prvi padec s kolesa – toda prej kot film so to posamični posnetki v času.
Znanstveniki že dolgo skušajo v celice vgraditi "kamkorderje" DNK, da bi zajeli njihovo zgodovino. Tako kot otroci celice rastejo, se diverzificirajo in zorijo, ko sodelujejo z okoljem. Te spremembe so vgrajene v gensko aktivnost celice in z njihovo rekonstrukcijo skozi čas lahko znanstveniki sklepajo o trenutnem stanju celice – na primer, ali postaja rakava?
Tehnologija "bi poglobila znanje o biologiji razvoja in raka, ki bi ga lahko prevedli v terapevtske strategije," je dejal Dr. Nozomu Yachie in sodelavci na Univerzi Britanske Kolumbije.
Težava? Proces snemanja je bil do danes sestavljen samo iz posameznih posnetkov in je uničil celico, zaradi česar ni bilo mogoče slediti njeni rasti.
Zdaj ekipa, ki jo vodi dr. Seth Shipman na inštitutu UCSF Gladstone izdelal biološki snemalnik— poimenovan Retro-Cascorder — ki lahko, tako kot stara šolska videokamera, zajame zgodovino genske ekspresije celice na DNK "trak" za več dni. Zahvaljujoč CRISPR se ti »trakovi« nato vključijo v celični genom, ki ga je mogoče prebrati pozneje.
Dobljeni podatki niso ravno Ameriški najbolj smešni domači videoposnetki. Namesto tega je bolj kot knjiga, ki dokumentira več bioloških signalov in jih lepo shranjuje v kronološkem vrstnem redu.
"Ta nov način zbiranja molekularnih podatkov nam daje okno brez primere v celice," je dejal Ladjar. Poleg prisluškovanja zgodovini razvoja celice – na primer, kako se je diverzificirala iz običajne izvorne celice – bi dodajanje Retro-Cascorderja lahko spremenilo normalne celice v žive biosenzorje, ki spremljajo onesnaženje, viruse ali druge onesnaževalce, hkrati pa preizkušajo sposobnost DNK kot zanesljivo napravo za shranjevanje podatkov.
Vzpon trakov DNK
Zakaj slediti zgodovini celice?
Predstavljajte si celico kot otrok. Začenši z oplojenim jajčecem, raste, spremeni svoj zunanji videz – na primer v kožno celico ali nevron – in za reproduktivne celice posreduje genetske informacije svojim otrokom. Potovanja celice skozi življenje ne določa samo njena genetika – temveč je to, kako se njena genetska navodila izvajajo, odvisno od interakcij z njenimi celičnimi sosedami in zunanjim svetom: prehrana, telesna vadba, stres in vse, kar doživlja njen človeški gostitelj.
Ti naravni in negovalni pozivi sprožijo celico, da aktivira določen vzorec genov – proces, ki ga imenujemo izražanje genov. Vse naše celice vsebujejo isti niz genov; kar jih dela različne je, kateri so vklopljeni ali izklopljeni. Izražanje genov je izjemno močno: lahko spremeni identiteto celice, delovanje in navsezadnje biološke procese, ki urejajo življenje.
Super bi bilo pokukati v njihovo notranje delovanje.
Eden od načinov je pristop posnetka. Z uporabo tehnologij »omics« – to je hkratnega analiziranja milijonov celic glede izražanja genov, metabolizma ali drugih stanj – lahko dobimo posnetek skupine celic v visoki ločljivosti v določenem trenutku. Čeprav je močan, postopek uniči vzorec. Razlog je v tem, da branje informacij o izražanju genov, shranjenih v celicah, metoda, imenovana RNAseq, zahteva razgradnjo maščobne, mehurčaste ovojnice celice za dostop in ekstrahiranje molekul. Predstavljajte si, da usmerite teleskop James Webb v katero koli točko vesolja, saj veste, da bo teleskop izbrisal vse, kar vidi – ja, ni super.
DNK trakovi imajo drugačen pristop. Tako kot urejevalnik videov "označujejo" dogodke v celici s črtno kodo, sestavljeno iz črk DNK - podobno kot časovni žig. Shipmanu uporaba DNK kot naprave za shranjevanje ni tuja. Leta 2017 je v sodelovanju s sintetičnim biologom dr. Georgeom Churchom na Harvardu in ekipo, so kodirali digitalni film v genom živih bakterij z uporabo CRISPR.
DNK dnevnik
Nova študija je imela razmeroma preprost cilj: kot kamera, ki sproži gibanje, začeti snemati vsakič, ko se vklopi določen gen.
Za oblikovanje Retro-Cascorderja se je ekipa obrnila na enigmatični genetski element, retrone. To so majhni koščki bakterijske DNK, ki so desetletja begali znanstvenike, preden so ugotovili, da so del bakterijskega imunskega sistema. Nazaj v 2021, soavtor študije Church je retrone spremenil iz čudne bakterijske domislice v orodje za urejanje genov ki lahko pregleda milijone variacij DNK in hkrati sledi njihovim učinkom. Bistveno je, da so spoznali, da se retroni lahko uporabljajo kot oznake za časovni žig določene genetske spremembe v času.
Tukaj je ekipa začela z inženiringom retronov za izdelavo specifičnih oznak DNK, kot je tiskanje serije črtnih kod za označevanje paketov. Oznake so povezane s promotorji DNK, ki kot semafor dajejo celici dovoljenje za vklop gena.
Ko se gen vklopi, retron samodejno ustvari edinstveno črtno kodo, ki potrjuje njegovo aktivnost. To je večstopenjski proces: oznako, prvotno kodirano v DNK, celica najprej prepiše v RNK, nato pa jo retroni ponovno zapišejo nazaj v »prejemke« DNK.
Omislite si restavracijsko blagajno. To je enakovredno tiskanju enega naročila ob določenem času z enim potrdilom.
Potem ko so preverili, da tehnologija deluje po pričakovanjih, se je ekipa nato obrnila na izdelavo "filmov" celice z uporabo oznak, ki temeljijo na retronu. To ni video v tradicionalnem smislu: ekipa je morala še vedno analizirati črtne kode na koncu snemalne seje - približno 24 ur - za predvajanje, kar uniči celice.
Spremljanje sprememb izražanja genov v enem posnetku v času je relativno preprosto. Veliko težje je slediti istim spremembam čez dan. Da bi ustvarili neke vrste "spomin" za snemalnik, se je ekipa obrnila na CRISPR-Cas. Tu nizi CRISPR delujejo kot dnevnik, retroni pa kot dnevni vnosi. Prejemki DNK, ki jih ustvarijo retroni, so vključeni v niz CRISPR. Tako kot kasete vsebujejo podatke, ki jim sledijo presledki, kot črni zaslon, ki pomagajo pri ločevanju dogodkov. Ko so dodane nove informacije, se prejšnji presledki premaknejo dlje od najbližjega vnosa, kar omogoča dešifriranje časovnice dogodkov.
Celice s sposobnostjo uporabe CRISPR za zapisovanje genetskih podatkov "lahko postopoma beležijo celične dogodke ... na trakove DNK," je dejal Yachie.
V dokazu koncepta je ekipa predstavila Retro-Cascorder Escherichia coli (E. Coli), najljubše bakterije v laboratoriju, z genskim inženiringom. Vključitev novega konstrukta je bila vetrič za hrošča in dober znak za znanstvenike, saj nakazuje malo stresa ali toksičnosti za celice.
Nato so vklopili enega ali oba promotorja DNK z uporabo kemikalij, kot je klik na »posnemi« na predvajalniku Walkman. V 48 urah je sistem zabeležil spremembe genske ekspresije, kot je bilo pričakovano, v nizu CRISPR. Po nadaljnjem kopanju v zaporedju nizov CRISPR – torej po njihovem branju nazaj – so ugotovili, da je zgodovina celice napredovala po pričakovanjih.
Celotna vaša zgodovina
Novi DNK trak je kot snemanje majhnih delčkov filma skozi čas. Je pa čudno urejeno. Medtem ko lahko Retro-Cascorder pove zaporedje aktivacij genov, ne more natančno določiti časovnega zamika med dvema sosednjima dogodkoma. Kot v domačem videu je lahko posnetek plesne vaje, ki ji sledi večerja, na isti dan; ali leta narazen.
Toda v primerjavi s prejšnjimi poskusi je kaseta tehnološki preskok, z boljšimi signali, daljšim trajanjem snemanja in boljšim predvajanjem.
"To še ni popoln sistem, vendar menimo, da bo še vedno boljši od obstoječih metod, ki omogočajo merjenje le enega dogodka naenkrat," je dejal Shipman.
Tekma za popolnega mobilnega dokumentarista je v teku in večina ima CRISPR v središču. Za Yachieja je eden od načinov zamenjava good-ole'-CRISPR z uredniki baze or CRISPR prime, ki oba povzročata manjšo škodo na genomu celice. Biološki "VCR" - ki bere nazaj posneto izražanje gena - prav tako potrebuje nadgradnjo, ki jo lahko poganja boljša računalniška zmogljivost.
Ko bi bili bolj izpopolnjeni, bi nam DNK snemalniki lahko pomagali slediti razvojni poti mini možganov in drugih organoidov, preučevati rakave celice, ko se razvijajo, spremljati okoljske onesnaževalce v celicah – vse to, ne da bi ogrozili življenja.
Kreditno slike: Immo Wegmann / Unsplash
