Домашнє відео дитинства може бути зворушливим, веселим або відверто збентеженим. Але стрічки містять безцінний ресурс: уривки дитячої подорожі, коли вона вчиться орієнтуватися у світі. Звичайно, на фотографіях також можна зафіксувати перший день народження чи перше падіння з велосипеда, але це не фільм, а поодинокі знімки в часі.
Вчені давно прагнули вбудувати в клітини «відеокамери» ДНК, щоб зафіксувати їх історію. Подібно до дітей, клітини ростуть, урізноманітнюються та дозрівають у міру взаємодії з навколишнім середовищем. Ці зміни закладені в генній активності клітини, і, реконструюючи їх з часом, вчені можуть зробити висновок про поточний стан клітини — наприклад, чи стає вона раковою?
Технологія «поглибила б знання про розвиток та біологію раку, які можна було б перекласти в терапевтичні стратегії». сказав Доктор Нодзому Ячі та його колеги з Університету Британської Колумбії.
Проблема? Процес запису на сьогоднішній день складався лише з окремих знімків і знищив клітину, що унеможливило відстеження її росту.
Зараз команда під керівництвом доктора Сета Шипмана з Інституту Гладстона UCSF сконструював біологічний рекордер— під назвою Retro-Cascorder — який, як стара шкільна відеокамера, може записувати історію експресії генів клітини на «стрічку» ДНК протягом кількох днів. Завдяки CRISPR ці «стрічки» потім інтегруються в геном клітини, який можна прочитати пізніше.
Отримані дані не зовсім точні Найсмішніші домашні відео в Америці. Швидше, це скоріше книга, яка документує численні біологічні сигнали та акуратно зберігає їх у хронологічному порядку.
«Цей новий спосіб збору молекулярних даних дає нам безпрецедентне вікно в клітини», сказав Шипман. Крім підслуховування історії розвитку клітини — наприклад, як вона диверсифікувалася від звичайної стовбурової клітини — додавання Retro-Cascorder може перетворити нормальні клітини на живі біосенсори, які відстежують забруднення, віруси чи інші забруднення, одночасно перевіряючи здатність ДНК як надійний пристрій зберігання даних.
Поява ДНК-стрічок
Навіщо відстежувати історію комірки?
У дитинстві уявіть клітинку. Починаючи із заплідненої яйцеклітини, вона росте, змінює свій зовнішній вигляд — наприклад, у клітину шкіри або нейрон — і репродуктивні клітини передають генетичну інформацію своїм дітям. Подорож клітини крізь життя визначається не тільки її генетикою — скоріше те, як виконуються її генетичні інструкції, залежить від взаємодії як з клітинними сусідами, так і із зовнішнім світом: дієти, фізичних вправ, стресу та всього, що відчуває її господар-людина.
Ці підказки природи та виховання спонукають клітину активувати певний шаблон генів — процес, який називають експресією генів. Усі наші клітини містять однаковий набір генів; що відрізняє їх від того, які з них увімкнено чи вимкнуто. Експресія генів є надзвичайно потужною: вона може змінити ідентичність клітини, її функцію та, зрештою, біологічні процеси, які керують життям.
Було б чудово зазирнути в їхню внутрішню роботу.
Одним із способів є підхід моментального знімка. Використовуючи технології «omics», тобто аналізуючи мільйони клітин одночасно на експресію генів, метаболізм або інші стани, ми можемо отримати знімок групи клітин із високою роздільною здатністю в певний час. Хоча цей процес потужний, він руйнує зразок. Причина полягає в тому, що зчитування інформації про експресію генів, що зберігається в клітинах, методом, який отримав назву RNAseq, вимагає руйнування жирової пухирчастої оболонки клітини, щоб отримати доступ і витягти молекули. Уявіть собі, що ви спрямовуєте телескоп Джеймса Вебба в будь-яку точку космосу, знаючи, що телескоп зітре все, що побачить — так, не чудово.
Стрічки ДНК мають інший підхід. Подібно до відеоредактора, вони «позначають» події клітини штрих-кодом, що складається з літер ДНК, схоже на позначку часу. Шипмен не звик використовувати ДНК як запам'ятовуючий пристрій. У 2017 році, працюючи з синтетичним біологом доктором Джорджем Черчом із Гарварду та командою, вони закодували цифровий фільм у геном живих бактерій за допомогою CRISPR.
Щоденник ДНК
Нове дослідження мало відносно просту мету: подібно до камери, що спрацьовує при русі, почати запис кожного разу, коли вмикається певний ген.
Щоб розробити Retro-Cascorder, команда звернулася до загадкового генетичного елемента, ретронів. Це маленькі шматочки бактеріальної ДНК, які десятиліттями збентежили вчених, перш ніж зрозуміти, що вони є частиною імунної системи бактерій. Назад в 2021, співавтор дослідження Черч перетворив ретрони з дивної бактеріальної примхи в інструмент редагування генів який може переглядати мільйони варіацій ДНК і одночасно стежити за їх наслідками. Важливо те, що вони зрозуміли, що ретрони можна використовувати як теги для позначення часу певної генетичної зміни в часі.
Тут команда почала з проектування ретронів для виготовлення специфічних тегів ДНК, наприклад друку серії штрих-кодів для позначення пакетів. Мітки пов’язані з промоторами ДНК, які, як світлофор, дають клітині дозвіл увімкнути ген.
Як тільки ген увімкнеться, ретрон автоматично генерує унікальний штрих-код, який засвідчує його активність. Це багатоетапний процес: тег, спочатку закодований у ДНК, спочатку транскрибується клітиною в РНК, а потім ретронами переписується назад у «квитанції» ДНК.
Згадайте ресторанну касу. Це еквівалентно роздрукуванню одного замовлення в певний час з однією квитанцією.
Перевіривши, що технологія працює належним чином, команда перейшла до створення «фільмів» клітини за допомогою тегів на основі ретрона. Це не відео в традиційному розумінні: команда все ще повинна була проаналізувати штрих-коди в кінці сеансу запису — приблизно через 24 години — для відтворення, яке руйнує клітини.
Відстежувати зміни експресії генів на одному знімку в часі відносно просто. Відстежувати ті самі зміни протягом дня набагато складніше. Щоб створити свого роду «пам’ять» для диктофона, команда звернулася до CRISPR-Cas. Тут масиви CRISPR діють як щоденники, а ретрони – як щоденні записи. Надходження ДНК, згенеровані ретронами, включені в масив CRISPR. Подібно до касетних стрічок, вони містять дані, за якими йдуть прокладки, як чорний екран, щоб допомогти розділити події. У міру додавання нової інформації попередні розділювачі відсуваються далі від найближчого запису, що дає змогу розшифрувати хронологію подій.
Клітини зі здатністю використовувати CRISPR для запису генетичних даних «можуть поступово записувати клітинні події… на стрічки ДНК», — сказав Ячі.
Під час перевірки концепції команда представила Retro-Cascorder Кишкова паличка (E. Coli), улюблені бактерії лабораторії, за допомогою генної інженерії. Впровадження нової конструкції було легким вітерцем для помилки та хорошим знаком для вчених, оскільки це свідчить про невеликий стрес або токсичність для клітин.
Потім вони ввімкнули один або обидва промотори ДНК за допомогою хімікатів, наприклад, натиснувши «запис» на Walkman. Протягом 48 годин система реєструвала очікувані зміни експресії генів у масиві CRISPR. Після подальшого вивчення послідовності масивів CRISPR, тобто зчитування їх згодом, вони виявили, що історія клітини прогресувала, як і очікувалося.
Ціла ваша історія
Нова стрічка ДНК схожа на запис маленьких уривків фільму в часі. Але це дивно відредаговано. Хоча Retro-Cascorder може визначити послідовність активації генів, він не може визначити проміжок часу між двома сусідніми подіями. Як у домашньому відео, кліп репетиції танцю з наступною вечерею може бути в той самий день; або роки.
Але порівняно з попередніми спробами, стрічка є технологічним стрибком із кращими сигналами, довшою тривалістю запису та кращим відтворенням.
«Це ще не ідеальна система, але ми вважаємо, що вона все одно буде кращою за існуючі методи, які дозволяють вимірювати лише одну подію за раз», — сказав Шипман.
Гонка за ідеального стільникового документаліста триває, і в центрі більшості – CRISPR. Для Yachie один із способів – замінити good-ole'-CRISPR на базові редактори or CRISPR прем'єр, обидва з яких менше пошкоджують геном клітини. Біологічний «відеомагнітофон», який зчитує записану експресію гена, також потребує модернізації, потенційно завдяки кращим обчислювальним можливостям.
Удосконалившись, реєстратори ДНК могли б допомогти нам відстежувати траєкторію розвитку міні-мозків та інших органоїдів, вивчати ракові клітини під час їхньої еволюції, стежити за забрудненнями навколишнього середовища в клітинах — і все це, не ставлячи на карту життя.
Зображення Фото: Іммо Вегманн / Unsplash
