ДНК-пишущая машинка записывает сообщения внутри клеток
Разрабатывая новую систему для записи информации внутри клеток, генетик Джей Шендюр и его команда решили протестировать её, закодировав текст. Поскольку их изобретение использовало новую среду для записи — ДНК, они выбрали сообщения с исторической значимостью.
Были выбраны две фразы: «Что сотворил Бог?» (цитата из Библии, использованная Сэмюэлем Морзе в первой дальней телеграфной передаче) и «Мистер Уотсон, зайдите сюда!» (слова Александра Грэма Белла к ассистенту в первом телефонном звонке).
Постдок Джунихонг Чой нуждался в ещё одной фразе для экспериментов. Шендюр хотел, чтобы третья цитата отражала энтузиазм работы над системой (позже названной ДНК-пишущей машинкой) во время пандемии COVID-19. Он предложил строку из Чарльза Диккенса: «Это было лучшее из времён, это было худшее из времён».
Однако Чой, будучи корейцем, предложил другой вариант: строчку из песни K-pop-группы BTS. Так коллекцию дополнила фраза «Связаны навеки, ДНК».
Хотя ДНК-пишущая машинка доказала, что может «спрятать» такие фразы в клетках, её главный потенциал лежит в другом. Учёные видят в этой технологии инструмент для документирования внутренних процессов клеток.
Естественно цифровая среда
Идея использовать ДНК для кодирования информации основана на естественной функции этой молекулы. Подобно тому, как программное обеспечение записывается единицами и нулями, ДНК использует четырёхбуквенный код для инструкций живых организмов.
ДНК-пишущая машинка не первая в своём роде, но она сочетает в себе свойства, которые делают её особенно перспективной для изучения клеточной биологии. А именно, она может фиксировать большое количество событий в хронологическом порядке.
«Мы достигли аналога письма, — говорит Шендюр. — Мы можем создавать тысячи символов, которые называем штрих-кодами, и записывать их по порядку».
Исследователи адаптировали систему для работы с 4096 штрих-кодами — короткими фрагментами ДНК. Как и оригинальная машинка, печатающая буквы, ДНК-версия укладывает штрих-коды по одному, слева направо.
Такое большое количество символов избыточно для текста, но подходит для сложной активности внутри клетки. Эта ёмкая система записи даёт учёным новый способ изучения живых клеток — альтернативу микроскопии или разрушению клеток для анализа.
Новое окно в клетку
Леонард Зон, исследователь HHMI из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы, видит в технологии большой потенциал. Например, её можно использовать для мониторинга реакции раковых клеток пациента на последовательные дозы химиотерапии в течение курса лечения. «Вы получите историю того, как раковая клетка реагировала на повреждения от химиотерапии».
Аналогично систему можно применить для изучения плохо понятых аспектов развития, например, для отслеживания событий во внутреннем слое клеток раннего эмбриона при его превращении в кишечник.
От пишущей машинки к «чёрному ящику»?
В другом эксперименте команда Шендюра направила запись на сами клетки. Помечая делящиеся клетки штрих-кодами, они отследили клеточные деления. Через 25 дней, за которые одна клетка дала начало примерно 1,2 миллионам, исследователи проанализировали паттерны штрих-кодов и восстановили генеалогическое древо клеток.
Этот эксперимент по отслеживанию родословной фиксировал историю популяции клеток, но не процессы внутри них (например, повреждения или этапы развития). Другое исследование группы Шендюра описывает стратегию для решения этой задачи.
В работе, опубликованной в Nature, команда описывает метод генной инженерии, при котором генетический код интересующей учёных молекулы содержит также инструкции для штрих-кода. Когда молекула активируется в клетке, она включает и штрих-код. Затем пишущая машинка документирует активность молекулы.
Дальнейшая доработка системы, по замыслу Шендюра, может превратить её в аналог бортового самописца. Улучшая эффективность и подключая новые биологические события, можно создать инструмент для восстановления подробной истории клетки — подобно расследованию авиакатастрофы.
«Здесь много потенциала, когда мы выйдем на следующий уровень», — говорит он.