โฮมวิดีโอในวัยเด็กอาจทำให้อบอุ่นหัวใจ เฮฮา หรือน่าอายจริงๆ แต่ในเทปนั้นมีทรัพยากรอันล้ำค่า: ตัวอย่างการเดินทางของเด็กๆ ขณะที่พวกเขาเรียนรู้ที่จะท่องโลก แน่นอนว่าภาพถ่ายสามารถจับภาพวันเกิดปีแรกหรือครั้งแรกที่ตกจากรถจักรยานได้เช่นกัน—แต่แทนที่จะเป็นภาพยนตร์ มันเป็นภาพถ่ายเดี่ยวในเวลาเดียว
นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามฝัง "กล้องวิดีโอ" ของ DNA ไว้ในเซลล์มานานแล้วเพื่อบันทึกประวัติของมัน เช่นเดียวกับเด็ก เซลล์จะเติบโต กระจายตัว และเติบโตเต็มที่เมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อม การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ฝังอยู่ในกิจกรรมของยีนของเซลล์ และด้วยการสร้างใหม่เมื่อเวลาผ่านไป นักวิทยาศาสตร์สามารถสรุปสถานะปัจจุบันของเซลล์ได้ ตัวอย่างเช่น เปลี่ยนเป็นมะเร็งหรือไม่
เทคโนโลยี "จะช่วยเพิ่มพูนความรู้เกี่ยวกับชีววิทยาด้านพัฒนาการและมะเร็งที่สามารถแปลเป็นกลยุทธ์การรักษาได้" กล่าวว่า Dr. Nozomu Yachie และเพื่อนร่วมงานที่ University of British Columbia
ปัญหา? จนถึงปัจจุบัน กระบวนการบันทึกประกอบด้วยสแนปชอตเพียงภาพเดียวและได้ทำลายเซลล์ ทำให้ไม่สามารถติดตามการเติบโตของเซลล์ได้
ตอนนี้ ทีมที่นำโดย Dr. Seth Shipman จาก UCSF Gladstone Institute ออกแบบเครื่องบันทึกทางชีวภาพ—ขนานนามว่า Retro-Cascorder—ซึ่งเหมือนกับกล้องวิดีโอของโรงเรียนเก่า ที่สามารถบันทึกประวัติการแสดงออกของยีนของเซลล์บน “เทป” ของ DNA ได้ครั้งละวัน ต้องขอบคุณ CRISPR ทำให้ "เทป" เหล่านี้ถูกรวมเข้ากับจีโนมของเซลล์ ซึ่งสามารถอ่านได้ในภายหลัง
ข้อมูลผลลัพธ์ไม่ตรงทั้งหมด วิดีโอโฮมที่สนุกที่สุดของอเมริกา. ค่อนข้างจะเป็นบัญชีแยกประเภทที่บันทึกสัญญาณทางชีววิทยาหลายตัวและจัดเก็บไว้อย่างเป็นระเบียบตามลำดับเวลา
"วิธีการใหม่ในการรวบรวมข้อมูลโมเลกุลทำให้เรามีหน้าต่างเข้าสู่เซลล์อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน" กล่าวว่า คนเดินเรือ. นอกเหนือจากการแอบฟังประวัติการพัฒนาของเซลล์แล้ว เช่น การแพร่กระจายจากสเต็มเซลล์ทั่วไปอย่างไร การเพิ่ม Retro-Cascorder สามารถเปลี่ยนเซลล์ปกติให้กลายเป็นไบโอเซนเซอร์ที่มีชีวิตซึ่งเฝ้าติดตามมลพิษ ไวรัส หรือสิ่งปนเปื้อนอื่นๆ ขณะทดสอบความสามารถของดีเอ็นเอใน อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่เชื่อถือได้
การเพิ่มขึ้นของเทป DNA
ทำไมต้องติดตามประวัติของเซลล์?
ลองนึกภาพเซลล์เป็นเด็ก เริ่มจากไข่ที่ปฏิสนธิ มันเติบโต เปลี่ยนแปลงลักษณะภายนอกของมัน เช่น เซลล์ผิวหนังหรือเซลล์ประสาท เป็นต้น และสำหรับเซลล์สืบพันธุ์ ส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมไปยังลูกๆ ของมัน การเดินทางไปตลอดชีวิตของเซลล์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยพันธุกรรมของมันเพียงอย่างเดียว—แต่วิธีการดำเนินคำสั่งทางพันธุกรรมของมันขึ้นอยู่กับการมีปฏิสัมพันธ์กับทั้งเพื่อนบ้านในเซลล์และโลกภายนอก: อาหาร การออกกำลังกาย ความเครียด และประสบการณ์ทุกอย่างที่มนุษย์ได้รับ
ธรรมชาติและการเลี้ยงดูเหล่านี้กระตุ้นเซลล์ให้กระตุ้นรูปแบบของยีนบางรูปแบบ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ขนานนามว่าการแสดงออกของยีน เซลล์ทั้งหมดของเรามียีนชุดเดียวกัน สิ่งที่ทำให้แตกต่างคืออันไหนเปิดหรือปิด การแสดงออกของยีนมีพลังมหาศาล มันสามารถเปลี่ยนแปลงเอกลักษณ์ หน้าที่ และในที่สุด กระบวนการทางชีววิทยาที่ควบคุมชีวิต
คงจะดีถ้าได้แอบดูผลงานภายในของพวกเขา
วิธีหนึ่งคือวิธีการสแนปชอต การใช้เทคโนโลยี "omics" กล่าวคือ การวิเคราะห์เซลล์หลายล้านเซลล์พร้อมกันสำหรับการแสดงออกของยีน เมแทบอลิซึม หรือสถานะอื่นๆ เราจะได้ภาพสแนปชอตที่มีความละเอียดสูงของกลุ่มเซลล์ในช่วงเวลาหนึ่งๆ ในขณะที่มีประสิทธิภาพ กระบวนการจะทำลายตัวอย่าง เหตุผลก็เพราะการอ่านข้อมูลการแสดงออกของยีนที่จัดเก็บไว้ภายในเซลล์ ซึ่งเป็นวิธีการที่เรียกว่า RNAseq จำเป็นต้องสลายไขมันที่ห่อหุ้มเซลล์เป็นฟองเพื่อเข้าถึงและแยกโมเลกุลออก ลองนึกภาพเมื่อเล็งกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ไปที่จุดใดก็ได้ในอวกาศ โดยรู้ว่ากล้องโทรทรรศน์จะทำลายทุกสิ่งที่มองเห็น—ใช่ ไม่ใช่เรื่องใหญ่
เทป DNA ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป เช่นเดียวกับโปรแกรมตัดต่อวิดีโอ พวกเขา "แท็ก" กิจกรรมของเซลล์ด้วยบาร์โค้ดที่ประกอบด้วยตัวอักษร DNA ซึ่งคล้ายกับการประทับเวลา Shipman ไม่ใช่คนแปลกหน้าในการใช้ DNA เป็นอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ย้อนกลับไปในปี 2017 ทำงานร่วมกับนักชีววิทยาสังเคราะห์ ดร.จอร์จ เชิร์ช ที่ฮาร์วาร์ดและทีมงาน พวกเขาเข้ารหัส ภาพยนตร์ดิจิทัลเกี่ยวกับจีโนมของแบคทีเรียที่มีชีวิตโดยใช้ CRISPR
DNA Diary
การศึกษาใหม่มีเป้าหมายที่ค่อนข้างง่าย เช่น กล้องที่สะดุดการเคลื่อนไหว เริ่มบันทึกทุกครั้งที่มีการเปิดใช้งานยีน
ในการออกแบบ Retro-Cascorder ทีมงานได้หันไปใช้องค์ประกอบทางพันธุกรรมลึกลับที่เรียกว่า retrons สิ่งเหล่านี้คือ DNA ของแบคทีเรียชิ้นเล็กๆ ที่หลอกหลอนนักวิทยาศาสตร์มานานหลายทศวรรษ ก่อนที่จะตระหนักว่าพวกมันเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกันของแบคทีเรีย ย้อนกลับไปใน 2021คริสตจักรผู้เขียนร่วมศึกษาเปลี่ยนการย้อนยุคจากนิสัยแปลก ๆ ของแบคทีเรีย เป็นเครื่องมือตัดต่อยีน ที่สามารถคัดกรองความแปรผันของ DNA ได้นับล้าน และติดตามผลกระทบของมันในเวลาเดียวกัน สิ่งสำคัญที่สุดคือพวกเขาตระหนักว่าการย้อนยุคสามารถใช้เป็นแท็กเพื่อประทับเวลาการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเวลา
ที่นี่ ทีมงานเริ่มต้นด้วยวิศวกรรมย้อนหลังเพื่อผลิตแท็ก DNA ที่เฉพาะเจาะจง เช่น การพิมพ์บาร์โค้ดหลายชุดเพื่อทำเครื่องหมายบนบรรจุภัณฑ์ แท็กเหล่านี้เชื่อมโยงกับตัวสร้าง DNA ซึ่งเหมือนกับสัญญาณไฟจราจร ทำให้เซลล์สามารถเปิดยีนได้
เมื่อยีนเปิดใช้งาน เรโทรนจะสร้างบาร์โค้ดเฉพาะที่รับรองกิจกรรมโดยอัตโนมัติ เป็นกระบวนการที่มีหลายขั้นตอน: แท็ก ซึ่งเดิมเข้ารหัสไว้ใน DNA นั้น จะถูกถอดรหัสเป็น RNA โดยเซลล์ก่อน จากนั้นจึงเขียนใหม่กลับเข้าไปใน "ใบเสร็จ" ของ DNA โดย retrons
นึกถึงเครื่องบันทึกเงินสดของร้านอาหาร ซึ่งเทียบเท่ากับการพิมพ์คำสั่งซื้อหนึ่งรายการในช่วงเวลาหนึ่งโดยมีใบเสร็จหนึ่งใบ
หลังจากตรวจสอบแล้วว่าเทคโนโลยีทำงานได้ตามที่คาดไว้ ทีมงานจึงหันไปสร้าง "ภาพยนตร์" ของเซลล์โดยใช้แท็กแบบย้อนยุค ไม่ใช่วิดีโอในความหมายดั้งเดิม ทีมงานยังคงต้องวิเคราะห์บาร์โค้ดเมื่อสิ้นสุดเซสชันการบันทึก ประมาณ 24 ชั่วโมง เพื่อเล่น ซึ่งจะทำลายเซลล์
การติดตามการเปลี่ยนแปลงการแสดงออกของยีนในสแนปชอตครั้งเดียวนั้นค่อนข้างง่าย การติดตามการเปลี่ยนแปลงเดียวกันตลอดทั้งวันนั้นยากกว่ามาก เพื่อสร้าง “ความทรงจำ” ให้กับเครื่องบันทึก ทีมงานจึงหันไปใช้ CRISPR-Cas ในที่นี้ อาร์เรย์ CRISPR ทำหน้าที่เป็นไดอารี่ ในขณะที่การย้อนกลับเป็นเหมือนรายการรายวัน การรับ DNA ที่สร้างขึ้นโดย retrons นั้นรวมอยู่ในอาร์เรย์ CRISPR เช่นเดียวกับเทปคาสเซ็ต เทปนี้มีข้อมูลที่ตามด้วยตัวเว้นวรรค เช่น หน้าจอสีดำ เพื่อช่วยแยกเหตุการณ์ เมื่อมีการเพิ่มข้อมูลใหม่ ตัวเว้นระยะก่อนหน้าจะเลื่อนออกห่างจากรายการที่ใกล้ที่สุด ทำให้สามารถถอดรหัสไทม์ไลน์ของเหตุการณ์ได้
เซลล์ที่มีความสามารถในการใช้ CRISPR ในการเขียนข้อมูลทางพันธุกรรม “สามารถบันทึกเหตุการณ์ของเซลล์… ลงในเทป DNA ได้” Yachie กล่าว
ในการพิสูจน์แนวคิด ทีมงานได้แนะนำ Retro-Cascorder ลงใน เชื้อ Escherichia coli (อี. โคไล) แบคทีเรียตัวโปรดของห้องแล็บ ผ่านการพันธุวิศวกรรม การรวมโครงสร้างใหม่เข้าด้วยกันเป็นเรื่องง่ายสำหรับแมลง และเป็นสัญญาณที่ดีสำหรับนักวิทยาศาสตร์ เนื่องจากแสดงให้เห็นความเครียดหรือความเป็นพิษต่อเซลล์เพียงเล็กน้อย
จากนั้นจึงเปิดโปรโมเตอร์ DNA อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งสองอย่างโดยใช้สารเคมี เช่น คลิก "บันทึก" บน Walkman กว่า 48 ชั่วโมง ระบบได้บันทึกการแสดงออกของยีนที่เปลี่ยนแปลงตามที่คาดไว้ในอาร์เรย์ CRISPR หลังจากศึกษาลำดับของอาร์เรย์ CRISPR เพิ่มเติม ซึ่งก็คือการอ่านย้อนหลัง พวกเขาพบว่าประวัติของเซลล์ดำเนินไปอย่างที่คาดไว้
ประวัติความเป็นมาทั้งหมดของคุณ
เทป DNA ใหม่นี้เหมือนกับการบันทึกตัวอย่างภาพยนตร์ผ่านกาลเวลา แต่แก้ไขอย่างประหลาด แม้ว่า Retro-Cascorder สามารถบอกลำดับของการกระตุ้นยีนได้ แต่ก็ไม่สามารถระบุช่วงเวลาระหว่างสองเหตุการณ์ที่อยู่ติดกันได้ เช่นเดียวกับในโฮมวิดีโอ คลิปซ้อมเต้นตามด้วยอาหารเย็นอาจเป็นวันเดียวกัน หรือห่างกันเป็นปี
แต่เมื่อเทียบกับความพยายามครั้งก่อน เทปเป็นการก้าวกระโดดทางเทคโนโลยี โดยมีสัญญาณที่ดีกว่า ระยะเวลาการบันทึกที่นานขึ้น และการเล่นที่ดีขึ้น
"นี่ไม่ใช่ระบบที่สมบูรณ์แบบ แต่เราคิดว่ามันยังคงดีกว่าวิธีการที่มีอยู่ ซึ่งช่วยให้คุณสามารถวัดเหตุการณ์ได้ครั้งละหนึ่งเหตุการณ์เท่านั้น" Shipman กล่าว
การแข่งขันสำหรับสารคดีเซลลูล่าร์ที่สมบูรณ์แบบกำลังเริ่มต้นขึ้น และส่วนใหญ่มี CRISPR เป็นศูนย์กลาง สำหรับ Yachie วิธีหนึ่งคือการแทนที่ good-ole'-CRISPR ด้วย บรรณาธิการฐาน or CRISPR ไพรม์ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ทำให้เกิดความเสียหายต่อจีโนมของเซลล์น้อยลง “VCR” ทางชีวภาพ—ซึ่งอ่านการแสดงออกของยีนที่บันทึกไว้—ยังต้องการการอัปเกรด ซึ่งอาจขับเคลื่อนด้วยความสามารถในการคำนวณที่ดีขึ้น
เมื่อสมบูรณ์แบบมากขึ้น เครื่องบันทึก DNA สามารถช่วยเราติดตามเส้นทางการพัฒนาของสมองขนาดเล็กและอวัยวะอื่นๆ ศึกษาเซลล์มะเร็งในขณะที่พวกมันมีวิวัฒนาการ ตรวจสอบมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมในเซลล์ ทั้งหมดนี้โดยไม่ต้องเสี่ยงชีวิต
เครดิตภาพ: อิมโม เวกมันน์ / Unsplash
