Çocukluk ev videoları iç açıcı, komik veya düpedüz utanç verici olabilir. Ancak kasetler paha biçilmez bir kaynak içeriyor: Bir çocuğun dünyayı dolaşmayı öğrenirken yaptığı yolculuğunun küçük parçaları. Elbette, fotoğraflar ilk doğum gününü veya bisikletten ilk düşüşü de yakalayabilir - ancak bir filmden ziyade, zaman içinde tek anlık fotoğraflardır.
Bilim adamları, geçmişlerini yakalamak için uzun süredir DNA “kameralarını” hücrelere yerleştirmeye çalışıyorlar. Çocuklar gibi hücreler de çevreyle etkileşime girdikçe büyür, çeşitlenir ve olgunlaşır. Bu değişiklikler bir hücrenin gen aktivitesine gömülüdür ve bilim adamları onları zaman içinde yeniden yapılandırarak bir hücrenin mevcut durumunu çıkarabilirler - örneğin, kansere dönüşüyor mu?
Teknoloji, “terapötik stratejilere dönüştürülebilecek gelişim ve kanser biyolojisi hakkındaki bilgileri derinleştirecektir”. şuraya Dr. Nozomu Yachie ve British Columbia Üniversitesi'ndeki meslektaşları.
Sorun? Kayıt süreci bugüne kadar yalnızca tek bir anlık görüntüden oluşuyordu ve hücreyi yok ederek büyümesini izlemeyi imkansız hale getirdi.
Şimdi, UCSF Gladstone Enstitüsü'nde Dr. Seth Shipman tarafından yönetilen bir ekip biyolojik bir kayıt cihazı tasarladıEski tip bir video kamera gibi, bir hücrenin gen ifadesi geçmişini günlerce bir DNA "kaseti" üzerinde yakalayabilen —Retro-Cascorder olarak adlandırılan—. CRISPR sayesinde bu “bantlar” daha sonra hücrenin genomuna entegre edilir ve daha sonraki bir tarihte okunabilir.
Ortaya çıkan veriler tam olarak değil Amerika'nın En Komik Ev Videoları. Daha ziyade, birden fazla biyolojik sinyali belgeleyen ve bunları kronolojik sırayla düzgün bir şekilde saklayan bir defterdir.
"Moleküler veri toplamanın bu yeni yolu bize hücrelere eşi görülmemiş bir pencere açıyor" şuraya gemici. Retro-Cascorder'ı eklemek, bir hücrenin gelişimsel geçmişine gizlice dinlemenin yanı sıra - örneğin, ortak bir kök hücreden nasıl çeşitlendiği gibi - normal hücreleri kirlilik, virüs veya diğer kirleticileri izleyen canlı biyosensörlere dönüştürebilir ve bu sırada DNA'nın yeteneğini test edebilir. güvenilir bir veri depolama aygıtı.
DNA Bantlarının Yükselişi
Neden bir hücrenin geçmişini izleyelim?
Çocukken bir hücre düşünün. Döllenmiş bir yumurtadan başlayarak büyür, dış görünüşünü değiştirir - örneğin bir deri hücresine veya bir nörona - ve üreme hücreleri için genetik bilgiyi çocuklarına aktarır. Bir hücrenin yaşamdaki yolculuğu yalnızca genetiği tarafından belirlenmez - daha ziyade, genetik talimatlarının nasıl yürütüldüğü, hem hücresel komşuları hem de dış dünya ile olan etkileşimlerine bağlıdır: diyet, egzersiz, stres ve insan konakçısının deneyimlediği her şey.
Bu doğa ve beslenme uyarıları, bir hücreyi belirli bir gen modelini harekete geçirmesi için tetikler - bu süreç, gen ifadesi olarak adlandırılır. Tüm hücrelerimiz aynı gen setini barındırır; onları farklı kılan, hangilerinin açık veya kapalı olduğudur. Gen ifadesi muazzam derecede güçlüdür: bir hücrenin kimliğini, işlevini ve nihayetinde yaşamı yöneten biyolojik süreçleri değiştirebilir.
Onların iç işleyişine bir göz atmak harika olurdu.
Bir yol, anlık görüntü yaklaşımıdır. "Omics" teknolojilerini kullanarak, yani gen ekspresyonu, metabolizma veya diğer durumlar için aynı anda milyonlarca hücreyi analiz ederek, belirli bir zamanda bir grup hücrenin yüksek çözünürlüklü anlık görüntüsünü alabiliriz. Güçlü olsa da, süreç numuneyi yok eder. Bunun nedeni, RNAseq olarak adlandırılan bir yöntem olan hücrelerde depolanan gen ekspresyon bilgilerinin okunmasının, moleküllere erişmek ve çıkarmak için hücrenin yağlı, kabarcıklı zarfını parçalamayı gerektirmesidir. James Webb Teleskopunu uzayda herhangi bir noktaya doğrulttuğunuzu ve teleskopun gördüğü her şeyi yok edeceğini bildiğinizi hayal edin - evet, harika değil.
DNA bantları farklı bir yaklaşım benimsiyor. Bir video düzenleyici gibi, bir hücrenin olaylarını, biraz zaman damgası gibi, DNA harflerinden oluşan bir barkodla "etiketliyorlar". Shipman, DNA'yı bir depolama aygıtı olarak kullanmaya yabancı değil. 2017'de Harvard'da sentetik biyolog Dr. George Church ve ekibiyle çalışırken, kodladılar CRISPR kullanarak canlı bakterilerin genomuna dijital bir film.
DNA Günlüğü
Yeni çalışmanın nispeten basit bir amacı vardı: Harekete geçen bir kamera gibi, belirli bir gen her açıldığında kayıt yapmaya başlayın.
Retro-Cascorder'ı tasarlamak için ekip, esrarengiz bir genetik unsur olan retronlara yöneldi. Bunlar, bir bakterinin bağışıklık sisteminin bir parçasını oluşturduklarını fark etmeden önce bilim adamlarını onlarca yıldır şaşırtan küçük bakteri DNA parçalarıdır. Geri 2021 içinde, çalışma ortak yazar Church, retronları tuhaf bir bakteriyel tuhaflıktan dönüştürdü bir gen düzenleme aracına Milyonlarca DNA varyasyonunu aynı anda tarayabilen ve etkilerini takip edebilen. En önemlisi, retronların zaman içindeki belirli bir genetik değişikliğin zamanını damgalamak için etiketler olarak kullanılabileceğini fark ettiler.
Burada ekip, paketleri işaretlemek için bir dizi barkodu yazdırmak gibi belirli DNA etiketleri üretmek için retron mühendisliği yaparak işe başladı. Etiketler, trafik ışığı gibi hücreye bir geni açması için izin veren DNA hızlandırıcılarıyla bağlantılıdır.
Bir gen açıldığında, retron otomatik olarak etkinliğini onaylayan benzersiz bir barkod oluşturur. Bu çok adımlı bir süreçtir: Orijinal olarak DNA'da kodlanmış olan etiket, önce hücre tarafından RNA'ya kopyalanır ve daha sonra retronlar tarafından DNA'ya yeniden yazılır.
Bir restoran yazar kasa düşünün. Bu, belirli bir zamanda bir siparişin tek bir makbuzla yazdırılmasına eşdeğerdir.
Teknolojinin beklendiği gibi çalıştığını doğruladıktan sonra ekip, retron tabanlı etiketler kullanarak bir hücrenin "filmlerini" yapmaya başladı. Bu geleneksel anlamda bir video değil: Ekip, hücreleri yok eden oynatma için bir kayıt oturumunun sonunda (yaklaşık 24 saat) hala barkodları analiz etmek zorunda kaldı.
Gen ifadesi değişikliklerini tek bir anlık görüntüde takip etmek nispeten basittir. Bir gün boyunca aynı değişiklikleri takip etmek çok daha zordur. Ekip, kayıt cihazı için bir tür “hafıza” oluşturmak için CRISPR-Cas'a döndü. Burada, CRISPR dizileri günlük görevi görürken retronlar günlük girişler gibi davranır. Retronlar tarafından üretilen DNA makbuzları, bir CRISPR dizisine dahil edilir. Kaset kasetleri gibi, olayları ayırmaya yardımcı olmak için siyah bir ekran gibi aralayıcılar tarafından takip edilen verileri içerirler. Yeni bilgiler eklendikçe, önceki aralayıcılar en yakın girişten uzaklaşarak olayların zaman çizelgesinin deşifre edilmesini mümkün kılar.
Yachie, genetik verileri yazmak için CRISPR kullanma yeteneğine sahip hücreler "hücresel olayları aşamalı olarak DNA bantlarına kaydedebilir" dedi.
Bir kavram kanıtı olarak, ekip Retro-Cascorder'ı Escherichia coli (E. Coli), genetik mühendisliği yoluyla laboratuvarın en sevilen bakterileri. Yeni yapının dahil edilmesi, böcek için bir esinti ve hücrelere çok az stres veya toksisite önerdiğinden bilim adamları için iyi bir işaretti.
Daha sonra bir Walkman'de "kaydet" düğmesine tıklamak gibi kimyasallar kullanarak DNA promotörlerinden birini veya her ikisini açtılar. 48 saat boyunca sistem, CRISPR dizisinde beklendiği gibi gen ekspresyonu değişikliklerini kaydetti. CRISPR dizilerinin dizisini daha fazla kazdıktan sonra, yani onları daha sonra tekrar okuduktan sonra, hücrenin geçmişinin beklendiği gibi ilerlediğini buldular.
Senin Bütün Bir Tarihin
Yeni DNA bandı, zaman içinde bir filmin küçük parçalarını kaydetmek gibidir. Ama garip bir şekilde düzenlenmiş. Retro-Cascorder gen aktivasyonlarının sırasını söyleyebilirken, iki bitişik olay arasındaki zaman geçişini tam olarak belirleyemez. Bir ev videosunda olduğu gibi, bir dans provasının ardından bir akşam yemeği klibi aynı gün olabilir; ya da yıllar ayrı.
Ancak önceki denemelerle karşılaştırıldığında, kaset, daha iyi sinyaller, daha uzun kayıt süresi ve daha iyi oynatma ile teknolojik bir sıçramadır.
Shipman, "Bu henüz mükemmel bir sistem değil, ancak yine de bir seferde yalnızca bir olayı ölçmenizi sağlayan mevcut yöntemlerden daha iyi olacağını düşünüyoruz" dedi.
Mükemmel hücresel belgeselci için yarış devam ediyor ve çoğunun merkezinde CRISPR var. Yachie'ye göre, bunun bir yolu good-ole'-CRISPR'ı şununla değiştirmektir: temel editörler or CRISPR asalher ikisi de hücrenin genomuna daha az zarar verir. Bir genin kaydedilmiş ifadesini geri okuyan biyolojik “VCR” de, potansiyel olarak daha iyi bilgi işlem becerisiyle desteklenen bir yükseltmeye ihtiyaç duyar.
Daha mükemmel hale getirildiğinde, DNA kaydediciler mini beyinlerin ve diğer organoitlerin gelişimsel yörüngesini izlememize, kanser hücrelerini evrimleşirken incelememize, hücrelerdeki çevresel kirleticileri izlememize yardımcı olabilir - üstelik tüm bunlar hayatları tehlikeye atmadan.
Resim Kredi: İmmo Wegmann / Unsplash
