Лаборатории по всему миру пытаются превратить клетки в автобиографов, отслеживающих собственное развитие от эмбрионов до взрослых особей.
Вскоре после оплодотворения яйцеклетка начинает делиться, образуя две клетки. Затем каждая из этих клеток делится снова, образуя уже четыре клетки, и так далее. Со временем эти клетки становятся всё более специализированными, образуя различные органы и ткани человеческого тела, которые состоят из примерно 36 триллионов клеток.
Учёные стремятся понять, как именно эти клетки развиваются и дифференцируются с течением времени. «Это то, о чём мечтали биологи-эмбриологи, такие как я, на протяжении более чем ста лет», — говорит Алекс Шир из Базельского университета в Швейцарии.
Однако пока что учёным удалось лишь сделать фотографии клеток на разных стадиях развития. Из-за отсутствия полной картины происходящего им ещё предстоит многое узнать о том, как именно клетки формируют наши органы или как они восстанавливаются после повреждений в более позднем возрасте. «На данный момент мы понимаем лишь отдельные фрагменты этой картины», — говорит Таня Штадлер, биолог-вычислитель из Высшей технической школы Цюриха.
Лаборатория доктора Штадлер и другие лаборатории по всему миру пытаются превратить клетки в своеобразных летописцев, как она и её коллеги описали в журнале Nature Reviews Genetics в понедельник. Эти модифицированные клетки могут встраивать в свою ДНК характерные фрагменты генетического материала. При делении клеток эти фрагменты превращаются в уникальные «штрихкоды».
Эта технология также позволяет клеткам создавать генетическую запись, когда они переживают важное событие, например, получают сигнал от других клеток или вырабатывают определённый белок.
Доктор Шир предположил, что в будущем врачи смогут вводить в организм человека «сторожевые» клетки, которые будут отслеживать изменения в его здоровье. «Сейчас я чувствую себя неважно — была ли у меня инфекция три месяца назад? Было ли у меня отравление ртутью семь месяцев назад?» — говорит доктор Шир. Ответы на эти вопросы можно найти в истории клеток, записанной «сторожевыми» клетками.
«Я вкладываю все свои усилия в развитие этой технологии, — говорит Джей Шендур, биолог из Вашингтонского университета и пионер в области секвенирования ДНК. — Это принципиально новый подход к изучению биологии с течением времени».
Доктор Шендур был одним из первых учёных, которые задумались о создании клеток, способных записывать историю. Будучи аспирантом в 2000 году, он потратил шесть месяцев на попытки создать клетку, которая могла бы периодически изменять крошечный фрагмент своей ДНК. После шести месяцев неудач он отказался от этой идеи.
Однако в течение следующего десятилетия исследователи разработали новый мощный инструмент для редактирования ДНК под названием CRISPR. Эта технология позволяет сосредоточиться на конкретном участке генома клетки и либо удалить, либо добавить новую ДНК.
Доктор Шендур и его коллеги решили использовать CRISPR для записи истории клетки. Они модифицировали клетки рыбок данио, которые легко изучать, потому что их эмбрионы прозрачны. Исследователи модифицировали рыбок данио таким образом, чтобы они могли разрезать или добавлять ДНК в десятках участков своего генома.
В ходе исследования учёные вырастили из этих клеток эмбрионы рыб. Иногда одна из клеток случайным образом изменяла часть своей структуры. Когда она делилась, её потомки наследовали эти изменения в ДНК.
Когда рыбы достигли зрелости, учёные проанализировали их ДНК. Изменённые фрагменты ДНК были похожи на штрихкоды, и почти одинаковые штрихкоды указывали на близкое родство клеток.
Доктор Шендур и его коллеги проследили родственные связи между клетками, построив генеалогическое древо. Например, штрихкоды в клетках крови показали, что почти вся кровь рыбы произошла от пяти клеток-предков.
Когда доктор Шендур и его коллеги опубликовали результаты исследования в 2016 году, они поняли, что не были первыми, кто пришёл к такому выводу. «Оказалось, что примерно у десяти человек была такая же идея», — сказал он.
Сейчас исследователи работают над созданием нового поколения устройств для записи информации о клетках.
Например, в Калифорнийском технологическом институте Майкл Эловиц и его коллеги разработали устройство, которое позволяет учёным изучать историю клеток без их уничтожения. Вместо этого они обрабатывают клетки химическими веществами, которые заставляют их светиться, если в них есть определённый штрихкод.
Доктор Эловиц и другие исследователи также работают над разработкой способов, с помощью которых клетки могут фиксировать определённые события. Например, иммунная клетка может фиксировать обнаружение вируса, а клетка кожи может фиксировать выработку пигментов в ответ на солнечный свет.
Недавно доктор Шендур и его коллеги расширили возможности устройств для записи информации о клетках, создав «ДНК-пишущую машинку». После того как клетка добавляет метку в свою ДНК, она может добавить новую метку рядом со старой, как при наборе текста на пишущей машинке. Исследователи создали десятки различных клавиш, которые могут записывать информацию о делении клетки и других событиях в её жизни.
Пока что исследователи протестировали ДНК-машину только на скоплениях клеток мышей в чашке Петри. Но они пытаются создать «мышь-рекордер», в которой все 10 миллиардов клеток животного будут хранить информацию о своём опыте с момента оплодотворения.
Доктор Шир надеется, что учёные смогут использовать мышей для изучения закономерностей развития. «Сколько существует способов создания сердца? — спросил он. — Я надеюсь, что мы найдём что-то новое».