Các video về ngôi nhà thời thơ ấu có thể cảm động, vui nhộn hoặc hết sức đáng xấu hổ. Nhưng những cuốn băng chứa đựng một nguồn tài nguyên vô giá: những đoạn trích về hành trình của một đứa trẻ khi chúng học cách định hướng thế giới. Chắc chắn, ảnh cũng có thể chụp sinh nhật đầu tiên hoặc lần đầu tiên bị ngã xe — nhưng thay vì phim, chúng là những bức ảnh chụp nhanh đơn lẻ kịp thời.
Từ lâu, các nhà khoa học đã tìm cách nhúng "máy quay" DNA vào các tế bào để ghi lại lịch sử của chúng. Giống như những đứa trẻ, các tế bào phát triển, đa dạng hóa và trưởng thành khi chúng tương tác với môi trường. Những thay đổi này được gắn vào hoạt động gen của tế bào và bằng cách tái tạo lại chúng theo thời gian, các nhà khoa học có thể suy ra trạng thái hiện tại của tế bào — ví dụ, nó có chuyển sang ung thư không?
Công nghệ “sẽ đào sâu kiến thức về sinh học phát triển và ung thư có thể được chuyển thành các chiến lược điều trị,” nói Tiến sĩ Nozomu Yachie và các đồng nghiệp tại Đại học British Columbia.
Vấn đề? Cho đến nay, quá trình ghi chỉ bao gồm các bức ảnh chụp nhanh duy nhất và đã phá hủy tế bào, khiến chúng ta không thể theo dõi sự phát triển của nó.
Bây giờ, một nhóm do Tiến sĩ Seth Shipman tại Viện UCSF Gladstone dẫn đầu thiết kế một máy ghi sinh học—Dubbed Retro-Cascorder — giống như một máy quay phim cũ, có thể ghi lại lịch sử biểu hiện gen của tế bào trên “băng” DNA, trong nhiều ngày tại một thời điểm. Nhờ CRISPR, những “cuộn băng” này sau đó được tích hợp vào bộ gen của tế bào, bộ gen này có thể được đọc vào một ngày sau đó.
Dữ liệu kết quả không chính xác Video gia đình hài hước nhất nước Mỹ. Thay vào đó, nó giống như một cuốn sổ cái ghi lại nhiều tín hiệu sinh học và lưu trữ chúng một cách gọn gàng theo thứ tự thời gian.
“Cách thu thập dữ liệu phân tử mới này mang lại cho chúng ta một cửa sổ chưa từng có vào các tế bào,” nói Người đóng tàu. Ngoài việc nghe trộm lịch sử phát triển của tế bào — ví dụ, cách nó đa dạng hóa từ một tế bào gốc thông thường — việc thêm Retro-Cascorder có thể biến đổi các tế bào bình thường thành các cảm biến sinh học sống để giám sát ô nhiễm, vi rút hoặc các chất gây ô nhiễm khác, đồng thời kiểm tra khả năng của DNA như một thiết bị lưu trữ dữ liệu đáng tin cậy.
Sự trỗi dậy của băng DNA
Tại sao phải theo dõi lịch sử của một ô?
Hãy tưởng tượng một tế bào khi còn nhỏ. Bắt đầu từ một quả trứng đã thụ tinh, nó phát triển, thay đổi hình dáng bên ngoài — chẳng hạn thành tế bào da hoặc tế bào thần kinh — và đối với các tế bào sinh sản, truyền thông tin di truyền cho con cái. Hành trình sống của một tế bào không chỉ do di truyền của nó thiết lập — đúng hơn, cách thức thực hiện các chỉ dẫn di truyền của tế bào phụ thuộc vào sự tương tác với cả các tế bào lân cận và thế giới bên ngoài: chế độ ăn uống, tập thể dục, căng thẳng và bất cứ điều gì mà vật chủ con người của nó trải qua.
Những lời nhắc tự nhiên và nuôi dưỡng này kích hoạt tế bào kích hoạt một mẫu gen nhất định — một quá trình được gọi là biểu hiện gen. Tất cả các tế bào của chúng ta đều chứa cùng một bộ gen; điều làm cho chúng khác biệt là cái nào được bật hoặc tắt. Sự biểu hiện gen rất mạnh mẽ: nó có thể thay đổi danh tính, chức năng của tế bào và cuối cùng là các quá trình sinh học chi phối sự sống.
Thật tuyệt nếu được nhìn vào bên trong hoạt động bên trong của chúng.
Một cách là phương pháp chụp nhanh. Sử dụng công nghệ “omics” - tức là phân tích hàng triệu tế bào cùng lúc để biểu hiện gen, chuyển hóa hoặc các trạng thái khác - chúng tôi có thể nhận được ảnh chụp nhanh độ phân giải cao của một nhóm tế bào tại một thời điểm cụ thể. Trong khi mạnh mẽ, quá trình này phá hủy mẫu. Lý do là bởi vì việc đọc thông tin biểu hiện gen được lưu trữ trong tế bào, một phương pháp có tên là RNAseq, đòi hỏi phải phá vỡ lớp vỏ xốp, béo của tế bào để tiếp cận và chiết xuất các phân tử. Hãy tưởng tượng hướng Kính viễn vọng James Webb vào bất kỳ điểm nào trong không gian, biết rằng kính thiên văn sẽ xóa sạch bất cứ thứ gì nó nhìn thấy — vâng, không tuyệt.
Các băng DNA có một cách tiếp cận khác. Giống như một trình chỉnh sửa video, họ “gắn thẻ” các sự kiện của ô bằng mã vạch được tạo thành từ các chữ cái DNA — hơi giống như một dấu thời gian. Shipman không còn xa lạ với việc sử dụng DNA như một thiết bị lưu trữ. Trở lại năm 2017, làm việc với nhà sinh vật học tổng hợp, Tiến sĩ George Church tại Harvard và nhóm, họ đã mã hóa một bộ phim kỹ thuật số vào bộ gen của vi khuẩn sống bằng CRISPR.
Nhật ký DNA
Nghiên cứu mới có một mục tiêu tương đối đơn giản: giống như một chiếc máy quay chuyển động, bắt đầu ghi lại bất kỳ lúc nào một gen cụ thể bật lên.
Để thiết kế Retro-Cascorder, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang một yếu tố di truyền bí ẩn, retrons. Đây là những đoạn nhỏ của DNA vi khuẩn đã làm các nhà khoa học bối rối trong nhiều thập kỷ, trước khi nhận ra rằng chúng tạo thành một phần của hệ thống miễn dịch của vi khuẩn. Trở lại trong 2021, đồng tác giả nghiên cứu Church đã biến đổi retrons từ một loại vi khuẩn kỳ quặc thành một công cụ chỉnh sửa gen có thể sàng lọc hàng triệu biến thể DNA và theo dõi các hiệu ứng của chúng cùng một lúc. Điều quan trọng, họ nhận ra rằng retrons có thể được sử dụng như thẻ để đánh dấu thời gian một sự thay đổi gen cụ thể trong thời gian.
Tại đây, nhóm đã bắt đầu bằng kỹ thuật sửa đổi để tạo ra các thẻ DNA cụ thể — như in một loạt mã vạch để đánh dấu các gói hàng. Các thẻ được liên kết với các trình thúc đẩy DNA, giống như đèn giao thông, giúp tế bào có thể bật gen.
Khi một gen được bật, retron sẽ tự động tạo ra một mã vạch duy nhất xác nhận hoạt động của nó. Đó là một quá trình gồm nhiều bước: thẻ, ban đầu được mã hóa bằng DNA, lần đầu tiên được tế bào phiên mã thành RNA, và sau đó được viết lại thành "biên nhận" DNA bằng cách retrons.
Hãy nghĩ về một máy tính tiền nhà hàng. Điều đó tương đương với việc in ra một đơn đặt hàng, tại một thời điểm nhất định, với một biên lai.
Sau khi xác minh công nghệ hoạt động như mong đợi, nhóm nghiên cứu sau đó đã chuyển sang tạo "phim" của một ô bằng cách sử dụng các thẻ dựa trên retron. Đó không phải là một video theo nghĩa truyền thống: nhóm vẫn phải phân tích mã vạch vào cuối phiên ghi — khoảng 24 giờ — để phát lại, điều này sẽ phá hủy các tế bào.
Theo dõi các thay đổi biểu hiện gen trong một bản chụp nhanh trong thời gian tương đối đơn giản. Theo dõi những thay đổi giống nhau trong suốt một ngày khó hơn rất nhiều. Để xây dựng "bộ nhớ" về các loại máy ghi âm, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang CRISPR-Cas. Ở đây, các mảng CRISPR hoạt động như một cuốn nhật ký, trong khi các mảng ghi chép lại giống như các mục nhập hàng ngày. Các biên nhận DNA, được tạo ra bởi retrons, được kết hợp vào một mảng CRISPR. Giống như băng cassette, chúng chứa dữ liệu theo sau là các miếng đệm, giống như một màn hình đen, để giúp phân tách các sự kiện. Khi thông tin mới được thêm vào, các dấu cách trước đó sẽ dịch chuyển xa hơn so với mục nhập gần nhất, giúp bạn có thể giải mã dòng thời gian của các sự kiện.
Các tế bào có khả năng sử dụng CRISPR để ghi dữ liệu di truyền “có thể dần dần ghi lại các sự kiện tế bào… vào băng DNA,” Yachie nói.
Trong một bằng chứng về khái niệm, nhóm đã giới thiệu Retro-Cascorder vào Escherichia coli (E. Coli), vi khuẩn yêu thích của phòng thí nghiệm, thông qua kỹ thuật di truyền. Việc kết hợp cấu trúc mới là một điều dễ dàng cho lỗi và là một dấu hiệu tốt cho các nhà khoa học, vì nó cho thấy ít căng thẳng hoặc độc tính đối với các tế bào.
Sau đó, họ bật một trong hai hoặc cả hai chất xúc tiến DNA bằng cách sử dụng hóa chất, như nhấp vào "ghi" trên máy Walkman. Trong 48 giờ, hệ thống đã ghi lại những thay đổi biểu hiện gen như mong đợi vào mảng CRISPR. Sau khi tìm hiểu sâu hơn về trình tự của mảng CRISPR — tức là đọc ngược lại sau đó — họ nhận thấy rằng lịch sử của ô đã tiến triển như mong đợi.
Toàn bộ lịch sử của bạn
Đoạn băng DNA mới giống như ghi lại những đoạn nhỏ của một bộ phim xuyên thời gian. Nhưng nó được chỉnh sửa một cách kỳ lạ. Mặc dù Retro-Cascorder có thể cho biết trình tự kích hoạt gen, nhưng nó không thể xác định chính xác thời gian giữa hai sự kiện liền kề. Giống như trong một video tại nhà, một đoạn clip về buổi tập khiêu vũ sau đó là bữa tối có thể diễn ra trong cùng một ngày; hoặc cách nhau nhiều năm.
Nhưng so với những nỗ lực trước đây, cuốn băng là một bước nhảy vọt về công nghệ, với tín hiệu tốt hơn, thời lượng ghi âm dài hơn và phát lại tốt hơn.
Shipman cho biết: “Đây chưa phải là một hệ thống hoàn hảo, nhưng chúng tôi nghĩ rằng nó vẫn sẽ tốt hơn các phương pháp hiện có, vốn chỉ cho phép bạn đo lường từng sự kiện một”.
Cuộc đua cho trình cung cấp tài liệu di động hoàn hảo đang diễn ra và hầu hết đều có CRISPR ở trung tâm của họ. Đối với Yachie, một cách là thay thế good-ole'-CRISPR bằng biên tập viên cơ sở or CRISPR nguyên tố, cả hai đều ít gây ra thiệt hại cho bộ gen của tế bào. “VCR” sinh học —có khả năng đọc lại biểu hiện đã ghi của gen — cũng cần được nâng cấp, có khả năng được cung cấp bởi năng lực tính toán tốt hơn.
Khi được hoàn thiện hơn, máy ghi DNA có thể giúp chúng ta theo dõi quỹ đạo phát triển của não nhỏ và các chất hữu cơ khác, nghiên cứu các tế bào ung thư khi chúng tiến hóa, theo dõi các chất ô nhiễm môi trường trong tế bào — tất cả mà không làm nguy hiểm đến tính mạng.
Ảnh: Immo Wegmann / Unsplash
