Hemvideor från barndomen kan vara hjärtvärmande, roliga eller rent ut sagt pinsamma. Men banden innehåller en ovärderlig resurs: utdrag av ett barns resa när de lär sig att navigera i världen. Visst, foton kan också fånga en första födelsedag eller ett första fall av en cykel också - men snarare än en film, de är enstaka ögonblicksbilder i tiden.
Forskare har länge försökt bädda in DNA-videokameror i celler för att fånga deras historia. Liksom barn växer, diversifierar och mognar celler när de interagerar med miljön. Dessa förändringar är inbäddade i en cells genaktivitet, och genom att rekonstruera dem över tid kan forskare sluta sig till en cells nuvarande tillstånd – till exempel blir den cancerös?
Tekniken "skulle fördjupa kunskapen om utvecklings- och cancerbiologi som skulle kunna översättas till terapeutiska strategier," sade Dr. Nozomu Yachie och kollegor vid University of British Columbia.
Problemet? Inspelningsprocessen har hittills endast bestått av enstaka ögonblicksbilder och har förstört cellen, vilket gör det omöjligt att spåra dess tillväxt.
Nu, ett team ledd av Dr Seth Shipman vid UCSF Gladstone Institute konstruerade en biologisk registreringsenhet— kallad Retro-Cascorder — som, precis som en gammal videokamera, kan fånga en cells genuttryckshistoria på ett DNA-band i dagar i taget. Tack vare CRISPR integreras sedan dessa "band" i cellens arvsmassa, som kan avläsas vid ett senare tillfälle.
De resulterande uppgifterna är inte exakt Amerikas finaste hemvideor. Snarare är det mer en huvudbok som dokumenterar flera biologiska signaler och prydligt lagrar dem i kronologisk ordning.
"Det här nya sättet att samla in molekylär data ger oss ett aldrig tidigare skådat fönster in i celler," sade Shipman. Bortsett från att avlyssna in i en cells utvecklingshistoria – till exempel hur den diversifierade sig från en vanlig stamcell – kan tillsatsen av Retro-Cascorder omvandla normala celler till levande biosensorer som övervakar föroreningar, virus eller andra föroreningar, samtidigt som man testar DNA:s förmåga som en pålitlig datalagringsenhet.
Uppkomsten av DNA-band
Varför spåra en cells historia?
Föreställ dig en cell som ett barn. Med utgångspunkt från ett befruktat ägg växer det, ändrar sitt yttre utseende - till en hudcell eller en neuron, till exempel - och för fortplantningsceller överför genetisk information till sina barn. En cells resa genom livet bestäms inte enbart av dess genetik – snarare beror hur dess genetiska instruktioner utförs på interaktioner med både dess cellulära grannar och omvärlden: kost, träning, stress och allt som dess mänskliga värd upplever.
Dessa natur- och uppmaningar triggar en cell att aktivera ett visst mönster av gener - en process som kallas genuttryck. Alla våra celler har samma uppsättning gener; det som gör dem olika är vilka som är på eller av. Genuttryck är enormt kraftfullt: det kan förändra en cells identitet, funktion och i slutändan de biologiska processer som styr livet.
Det skulle vara fantastiskt att få en titt in i deras inre funktioner.
Ett sätt är ögonblicksbildsmetoden. Genom att använda "omics"-teknologier – det vill säga att analysera miljontals celler samtidigt för genuttryck, metabolism eller andra tillstånd – kan vi få en högupplöst ögonblicksbild av en grupp celler vid en viss tidpunkt. Även om den är kraftfull, förstör processen provet. Anledningen är att läsning av information om genuttryck som lagras i cellerna, en metod som kallas RNAseq, kräver att cellens feta, bubbliga hölje bryts ner för att komma åt och extrahera molekylerna. Föreställ dig att rikta James Webb-teleskopet var som helst i rymden, med vetskapen om att teleskopet kommer att utplåna allt det ser - ja, inte bra.
DNA-band tar ett annat tillvägagångssätt. Som en videoredigerare "taggar" de en cells händelser med en streckkod som består av DNA-bokstäver - lite som en tidsstämpel. Shipman är inte främmande för att använda DNA som lagringsenhet. Tillbaka 2017, arbetade med syntetisk biolog Dr. George Church vid Harvard och team, de kodade en digital film om genomet av levande bakterier med hjälp av CRISPR.
En DNA-dagbok
Den nya studien hade ett relativt enkelt mål: som en rörelseutlöst kamera, börja spela in varje gång en viss gen slås på.
För att designa Retro-Cascorder vände sig teamet till ett gåtfullt genetiskt element, retroner. Det här är små bitar av bakteriellt DNA som gjorde forskare oroliga i årtionden innan de insåg att de utgör en del av en bakteries immunsystem. Tillbaka i 2021, studie medförfattare Church förvandlade retroner från en konstig bakteriel egenhet till ett genredigeringsverktyg som kan screena miljontals DNA-variationer och följa deras effekter på samma gång. Det var avgörande att de insåg att retroner kan användas som taggar för att tidsstämpla en viss genetisk förändring i tid.
Här började teamet med att konstruera retroner för att producera specifika DNA-taggar – som att skriva ut en serie streckkoder för att markera förpackningar. Taggarna är kopplade till DNA-promotorer, som likt ett trafikljus ger cellen okej att slå på en gen.
När en gen slås på genererar retron automatiskt en unik streckkod som intygar dess aktivitet. Det är en process i flera steg: taggen, som ursprungligen kodades i DNA, transkriberas först till RNA av cellen och skrivs sedan om till DNA-"kvitton" av retroner.
Tänk på en restaurangkassa. Det motsvarar att skriva ut en beställning, vid en viss tidpunkt, med ett kvitto.
Efter att ha verifierat att tekniken fungerar som förväntat, övergick teamet sedan till att göra "filmer" av en cell med retronbaserade taggar. Det är inte en video i traditionell mening: teamet var fortfarande tvungen att analysera streckkoderna i slutet av en inspelningssession – runt 24 timmar – för uppspelning, vilket förstör cellerna.
Att hålla reda på förändringar i genuttryck i en ögonblicksbild i tid är relativt enkelt. Att hålla reda på samma förändringar under en dag är mycket svårare. För att bygga ett slags "minne" för inspelaren vände sig teamet till CRISPR-Cas. Här fungerar CRISPR-matriser som dagbok, medan retroner som dagliga poster. DNA-kvitton, genererade av retroner, är inkorporerade i en CRISPR-array. Precis som kassettband innehåller de data följt av distanser, som en svart skärm, för att separera händelser. När ny information läggs till flyttas tidigare spacers längre bort från närmaste post, vilket gör det möjligt att dechiffrera en tidslinje av händelser.
Celler med förmågan att använda CRISPR för att skriva genetiska data "kan successivt registrera cellulära händelser ... på DNA-band", sa Yachie.
I ett proof-of-concept introducerade teamet Retro-Cascorder i Escherichia coli (E. Coli), labbets favoritbakterier, genom genteknik. Att införliva den nya konstruktionen var en bris för buggen, och ett gott tecken för forskarna, eftersom det antyder lite stress eller toxicitet för cellerna.
De slog sedan på endera eller båda DNA-promotorerna med hjälp av kemikalier, som att klicka på "spela in" på en Walkman. Under 48 timmar registrerade systemet genuttrycksförändringar som förväntat i CRISPR-arrayen. Efter att ha grävt vidare i sekvensen av CRISPR-matriser – det vill säga läsa tillbaka dem efteråt – fann de att cellens historia fortskred som förväntat.
En hel historia om dig
Det nya DNA-bandet är som att spela in små bitar av en film genom tiden. Men det är konstigt nog redigerat. Även om Retro-Cascorder kan berätta sekvensen av genaktiveringar, kan den inte fastställa tidsförloppet mellan två intilliggande händelser. Som i en hemmavideo kan ett klipp av en dansrepetition följt av en middag vara på samma dag; eller års mellanrum.
Men jämfört med tidigare försök är bandet ett tekniskt språng, med bättre signaler, längre inspelningstid och bättre uppspelning.
"Det här är inte ett perfekt system ännu, men vi tror att det fortfarande kommer att bli bättre än befintliga metoder, som bara gör att du kan mäta en händelse i taget", säger Shipman.
Kapplöpet om den perfekta mobildokumentären är igång, och de flesta har CRISPR i centrum. För Yachie är ett sätt att ersätta good-ole'-CRISPR med basredaktörer or CRISPR prime, som båda orsakar mindre skada på cellens genom. Den biologiska "VCR" - som läser tillbaka en gens registrerade uttryck - behöver också en uppgradering, potentiellt driven av bättre datorförmåga.
När de är mer fulländade kan DNA-inspelare hjälpa oss att spåra utvecklingsbanan för minihjärnor och andra organoider, studera cancerceller när de utvecklas, övervaka miljöföroreningar i celler – allt utan att sätta liv på spel.
Image Credit: Immo Wegmann / Unsplash
