Учёные создали ДНК-«журнал учёта» для записи истории клеток
Учёные из Институтов Глэдстоун разработали биологический инструмент — Retro-Cascorder, — который записывает активность генов клетки в течение нескольких дней прямо в нити ДНК. Эти данные можно проанализировать в любой момент, чтобы получить журнал активности клетки.
«Этот новый способ сбора молекулярных данных даёт нам беспрецедентное окно в жизнь клеток», — говорит Сет Шипман, старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature.
Как работает система
Система состоит из двух ключевых компонентов:
Ретроны (retrons) — бактериальные элементы, которые производят определённую последовательность ДНК при активации. Учёные добавили ретрон к интересующему гену. Каждый раз, когда ген включался, ретрон создавал соответствующий фрагмент ДНК с уникальным штрих-кодом для этого гена. Этот фрагмент действует как «квитанция» о включении гена.
CRISPR-массивы — длинные повторяющиеся последовательности ДНК, которые бактерии используют для иммунной памяти, копируя фрагменты генетической информации в том порядке, в котором её получают. Эти массивы служат молекулярным «журналом», куда в хронологическом порядке вставляются все «квитанции» от ретронов.
Чтобы извлечь информацию, исследователям достаточно секвенировать геном клетки и посмотреть на последовательность ретронных штрих-кодов в CRISPR-массиве.
Демонстрация работы: клеточные сенсоры
Чтобы показать полезность Retro-Cascorder, учёные сконструировали клетки Escherichia coli (E. coli), содержащие ретроны в генах, которые, как известно, активируются в присутствии определённых химических веществ. В течение 48 часов CRISPR-массив точно записывал порядок, в котором включались эти гены, — и, следовательно, порядок, в котором исследователи добавляли химикаты.
«Исследователи могут установить несколько биосенсоров в клетке и использовать их для мониторинга окружающей среды с течением времени — от пруда или очистных сооружений до внутренней среды человеческого кишечника», — говорит первый автор исследования Санти Бхаттараи-Клайн.
Текущие ограничения и будущее
В своей текущей форме Retro-Cascorder сообщает только порядок включения генов, но не количество времени, прошедшее между событиями. Однако учёные предполагают, что небольшие фрагменты свободно плавающей ДНК, которые CRISPR-массивы постоянно добавляют в клетки, могут действовать как молекулярные часы для точного определения времени активации каждого гена.
Пока система использовалась для отслеживания лишь нескольких генов одновременно, а не многих десятков. Команда активно работает над расширением возможностей Retro-Cascorder и адаптацией системы для использования в типах клеток, отличных от бактерий.
«Это ещё не идеальная система, но мы считаем, что она всё равно будет лучше существующих методов, которые позволяют измерять только одно событие за раз», — говорит Шипман.
Исследование «Recording gene expression order in DNA by CRISPR addition of retron barcodes» было опубликовано в журнале Nature 27 июля 2022 года.