Ingenieure programmieren menschliche Zellen, um komplexe Geschichten in ihrer DNA zu speichern

Jeff Hawkins: How brain science will change computing (April 2019).

Anonim

MIT-Bioingenieure haben einen Weg entwickelt, um komplexe Geschichten in der DNA menschlicher Zellen aufzuzeichnen und ihnen zu ermöglichen, durch Sequenzierung der DNA "Erinnerungen" an vergangene Ereignisse wie Entzündungen zu gewinnen.

Dieses analoge Speichersystem - das erste, das die Dauer und / oder Intensität von Ereignissen in menschlichen Zellen aufzeichnen kann - könnte Wissenschaftlern helfen zu untersuchen, wie sich Zellen während der Embryonalentwicklung in verschiedene Gewebe differenzieren, wie Zellen Umweltbedingungen erfahren und wie sie genetische Veränderungen erfahren das führt zu Krankheit.

"Um ein tieferes Verständnis der Biologie zu ermöglichen, haben wir menschliche Zellen konstruiert, die auf der Grundlage genetisch kodierter Aufzeichnungsgeräte über ihre eigene Geschichte berichten können", sagt Timothy Lu, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Informatik und für Bioingenieurwesen. Diese Technologie sollte Einblicke darüber geben, wie die Genregulation und andere Ereignisse in den Zellen zu Krankheit und Entwicklung beitragen, fügt er hinzu.

Lu, der Leiter der Synthetic Biology Group am MIT-Forschungslabor für Elektronik, ist der leitende Autor der neuen Studie, die in der Online-Ausgabe von Science am 18. August erscheint. Die Hauptautoren des Artikels sind Samuel Perli SM '10, PhD '15 und Doktorandin Cheryl Cui.

Analoger Speicher

Viele Wissenschaftler, darunter auch Lu, haben Möglichkeiten entwickelt, digitale Informationen in lebenden Zellen aufzuzeichnen. Mithilfe von Enzymen, die Rekombinasen genannt werden, programmieren sie Zellen, um Abschnitte ihrer DNA zu spiegeln, wenn ein bestimmtes Ereignis auftritt, wie beispielsweise die Exposition gegenüber einer bestimmten Chemikalie. Diese Methode zeigt jedoch nur, ob das Ereignis stattgefunden hat, nicht wie viel Exposition es gab oder wie lange es dauerte.

Lu und andere Forscher haben bereits Wege gefunden, um analoge Informationen in Bakterien aufzunehmen, aber bis jetzt hat es niemand in menschlichen Zellen erreicht.

Der neue MIT-Ansatz basiert auf dem Genom-Editing-System CRISPR, das aus einem DNA-schneidenden Enzym namens Cas9 und einem kurzen RNA-Strang besteht, der das Enzym zu einem bestimmten Bereich des Genoms führt und Cas9 anleitet, wo es geschnitten wird.

CRISPR wird häufig für die Bearbeitung von Genen verwendet, aber das MIT-Team entschied sich, es für den Speicher zu adaptieren. In Bakterien, wo CRISPR ursprünglich entwickelt wurde, zeichnet das System vergangene Virusinfektionen auf, so dass Zellen eindringende Viren erkennen und bekämpfen können.

"Wir wollten das CRISPR-System anpassen, um Informationen im menschlichen Genom zu speichern", sagt Perli.

Wenn CRISPR verwendet wird, um Gene zu bearbeiten, erzeugen Forscher RNA-Leitstränge, die mit einer Zielsequenz im Genom des Wirtsorganismus übereinstimmen. Um Erinnerungen zu kodieren, hat das MIT-Team einen anderen Ansatz gewählt: Sie haben Leitstränge entworfen, die die DNA erkennen, die für den gleichen Leitstrang kodiert, und schaffen so etwas, das sie "self-targeting guide RNA" nennen.

Angeführt von diesem selbststeuernden Guide-RNA-Strang schneidet Cas9 die DNA, die den Leitstrang kodiert, und erzeugt eine Mutation, die zu einer dauerhaften Aufzeichnung des Ereignisses wird. Diese DNA-Sequenz erzeugt, sobald sie mutiert ist, einen neuen Guide-RNA-Strang, der Cas9 an die neu mutierte DNA lenkt, so dass sich weitere Mutationen akkumulieren, solange Cas9 aktiv ist oder die selbst-targetierende Führungs-RNA exprimiert wird.

Durch die Verwendung von Sensoren für spezifische biologische Ereignisse, um Cas9 oder die selbststeuernde RNA-Leitaktivität zu regulieren, ermöglicht dieses System progressive Mutationen, die sich als eine Funktion dieser biologischen Inputs akkumulieren und somit ein genomisch codiertes Gedächtnis bereitstellen.

Zum Beispiel haben die Forscher einen Gen-Schaltkreis konstruiert, der Cas9 nur in Anwesenheit eines Zielmoleküls wie TNF-alpha exprimiert, das von Immunzellen während einer Entzündung produziert wird. Wenn TNF-alpha vorhanden ist, schneidet Cas9 die für die Leitsequenz kodierende DNA und erzeugt Mutationen. Je länger die Exposition gegenüber TNF-alpha oder je größer die TNF-alpha-Konzentration ist, desto mehr Mutationen akkumulieren in der DNA-Sequenz.

Durch die spätere Sequenzierung der DNA können Forscher bestimmen, wie hoch die Exposition war.

"Dies ist das reichhaltige analoge Verhalten, nach dem wir suchen, wobei Sie, wenn Sie die Menge oder Dauer von TNF-alpha erhöhen, eine Zunahme der Menge an Mutationen erhalten", sagt Perli.

"Außerdem wollten wir unser System in lebenden Tieren testen. Die Fähigkeit, Informationen von lebenden Zellen in Mäusen zu erfassen und zu extrahieren, kann helfen, sinnvolle biologische Fragen zu beantworten", sagt Cui. Die Forscher zeigten, dass das System in der Lage ist, Entzündungen bei Mäusen zu erfassen.

Die meisten Mutationen führen zur Deletion eines Teils der DNA-Sequenz, so dass die Forscher ihre RNA-Leitstränge länger als die üblichen 20 Nukleotide konstruierten, damit sie nicht zu kurz werden, um zu funktionieren. Sequenzen von 40 Nukleotiden sind für einen Monat mehr als lang genug, und die Forscher haben auch 70-Nukleotid-Sequenzen entworfen, die verwendet werden könnten, um biologische Signale noch länger aufzuzeichnen.

Verfolgung von Entwicklung und Krankheit

Die Forscher zeigten auch, dass sie Zellen konstruieren könnten, um mehr als einen Input zu detektieren und aufzuzeichnen, indem sie mehrere selbst-targetierende RNA-Leitstränge in derselben Zelle produzieren. Jeder RNA-Guide ist mit einer bestimmten Eingabe verknüpft und wird nur erzeugt, wenn diese Eingabe vorhanden ist. In dieser Studie zeigten die Forscher, dass sie sowohl das Antibiotikum Doxycyclin als auch ein Molekül namens IPTG nachweisen können.

Gegenwärtig wird diese Methode am wahrscheinlichsten für Studien von menschlichen Zellen, Geweben oder künstlichen Organen verwendet, sagen die Forscher. Durch die Programmierung von Zellen zur Aufzeichnung mehrerer Ereignisse könnten Wissenschaftler dieses System zur Überwachung von Entzündungen oder Infektionen oder zur Überwachung der Krebsentwicklung einsetzen. Es könnte auch nützlich sein, um herauszufinden, wie sich Zellen während der Entwicklung von Tieren von Embryonen bis zu Erwachsenen auf verschiedene Gewebe spezialisieren.

"Mit dieser Technologie könnten Sie verschiedene Speicherregister haben, die Aufnahmen mit verschiedenen Signalen aufnehmen, und Sie konnten sehen, dass jedes dieser Signale für diese Zeitdauer oder mit dieser Intensität von der Zelle empfangen wurde", sagt Perli. "Auf diese Weise könnten Sie dem Verständnis der Entwicklung näher kommen."

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