Разрабатывая новую систему записи внутри клеток, генетик Джей Шендур и его команда решили протестировать ее, используя ее для кодирования текста. Поскольку их изобретение основывалось на почти совершенно новом носителе записи, ДНК, они хотели использовать сообщения, вызывающие ощущение исторической значимости.

Два варианта были очевидны: «Что сотворил Бог?» библейская цитата, использованная Сэмюэлем Морсом в первой междугородней телеграфной передаче, и более приземленная: «Мистер Ватсон, идите сюда!» Александр Грэм Белл сказал своему помощнику во время первого телефонного разговора.

Постдокторскому сотруднику Джунхонг Чою понадобилась еще одна фраза для экспериментов. Шендур хотел, чтобы третья цитата отразила волнение от работы над этой системой, которую они позже назвали пишущей машинкой ДНК , в то время как вокруг них бушевала пандемия COVID-19.

«Я хотел, чтобы Чой сказал: «Это были лучшие времена, это были худшие времена», — говорит Шендур, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Вашингтонского университета.

Вместо известной строчки из Чарльза Диккенса у Чоя, корейца, была другая идея: текст из корейской поп- или к-поп песни. Таким образом, они завершили свою коллекцию песней «Bound Forever, DNA», переведенной с песни группы BTS.

Хотя ДНК-пишущая машинка доказала, что может вставлять эти фразы, как секретные сообщения, в клетки , ее самый мощный потенциал кроется в другом. Шендур и его коллеги предполагают, что ученые используют эту технологию для документирования внутренней работы клеток, когда они разворачиваются вдали от поля зрения.

Естественно цифровой носитель

Идея использовать ДНК для кодирования информации связана с естественной функцией молекулы. Подобно тому, как компьютерное программное обеспечение записывается с помощью единиц и нулей, молекула ДНК использует четырехбуквенный код для инструкций для живых существ.

Пишущая машинка ДНК не первая в своем роде, однако она обладает рядом свойств, которые делают ее особенно перспективной для изучения биологии клеток. А именно, он может фиксировать большое количество событий, документируя их в хронологическом порядке.

«Мы добились чего-то похожего на писательство, — говорит Шендуре. «Мы можем создавать тысячи символов, которые мы называем штрих-кодами, и мы можем считывать их по порядку».

На данный момент исследователи адаптировали систему для размещения до 4096 штрих-кодов, которые представляют собой короткие фрагменты ДНК. Подобно оригинальной машине, выстукивающей буквы, пишущая машинка ДНК печатает только один штрих-код за раз, слева направо.

Хотя такое огромное количество символов не обязательно для написания романа, оно лучше подходит для огромной сложности деятельности внутри клетки. По словам Шендура, с такой огромной записывающей способностью пишущая машинка ДНК обещает ученым новый способ изучения живых клеток — вариант, выходящий за рамки обычного выбора использования микроскопа или разрушения клеток для их анализа.

Новое окно в клетки

Леонард Зон, исследователь HHMI в Бостонской детской больнице и Гарвардской медицинской школе, видит большой потенциал. «Это увлекательная технология, которая может найти большое применение в будущем», — говорит он о пишущей машинке DNA.

Например, Зон, не участвовавший в разработке этой системы, предполагает использовать ее версию для мониторинга реакции онкологического больного на получение последовательных доз химиотерапии в течение периода лечения, говорит он. «По сути, вы получите историю того, как раковая клетка реагировала на повреждения, нанесенные химиотерапией».

Точно так же ученые могут использовать его для изучения малоизученных аспектов развития, таких как отслеживание событий, происходящих в самом внутреннем слое клеток раннего эмбриона, когда он превращается в кишечник, говорит он.

От пишущей машинки до бортового самописца?

В другом эксперименте команда Шендуре включила записывающее устройство на самих клетках. Помечая делящиеся клетки штрих-кодами, они отслеживали клеточные деления. Через 25 дней, в течение которых одна клетка дала начало примерно 1,2 миллионам, исследователи проанализировали образцы штрих-кодов клеток, чтобы восстановить генеалогическое древо.

Хотя он отслеживал историю популяции клеток, этот эксперимент с родословными не зафиксировал процессы, происходящие внутри них, такие как повреждение или этапы развития, о которых упоминает Зон. Другое исследование, проведенное группой Шендуре, описывает этот дополнительный шаг.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature , его команда описывает стратегию генной инженерии клеток, чтобы генетический код интересующей ученых молекулы содержал инструкции для штрих-кода. Когда молекула включается внутри клетки, она также включает штрих-код. Затем пишущая машинка начинает работать, документируя активность молекулы.

С некоторыми дополнительными инженерными разработками Шендуре и его команда надеются превратить пишущую машинку в систему, подобную черному ящику. Используя новые биологические события, повышая эффективность системы и внося другие улучшения, он хочет создать инструмент, который ученые смогут использовать для восстановления подробной истории клетки, точно так же, как исследователи, изучающие авиакатастрофу.

«Здесь есть большой потенциал, как только мы выйдем на новый уровень», — говорит он.