ابداع روشی جدید برای ذخیره سازی تاریخچه سلولی

هنگامی که سلول ها وظایف روزمره خود را انجام می دهند،ژن ها و مسیرهای سلولی مختلفی را فعال می کنند.

به گزارش تکناک، مهندسان MIT اکنون سلول‌هایی را برای ثبت تاریخچه این رویدادها در یک زنجیره پروتئینی طولانی هدایت کرده‌اند که می‌توان با استفاده از میکروسکوپ نوری از آنها تصویربرداری کرد.

سلول های برنامه ریزی شده برای تولید این زنجیره ها به طور مداوم بلوک های ساختاری را اضافه می کنند که این بلوک ها رویدادهای سلولی خاص را رمزگذاری می کنند.

زنجیره‌های پروتئینی خاص را می‌توان با مولکول‌های فلورسنت نشانه گذاری کرد و زیر میکروسکوپ مطالعه کرد و این موضوع به محققان اجازه می‌دهد زمان‌بندی رویدادها را بازسازی کنند.

این تکنیک می تواند به روشن کردن مراحلی که زمینه ساز فرآیندهایی مانند شکل گیری حافظه، پاسخ به درمان دارویی و بیان ژن هستند کمک کند.

پروفسور ادوارد بویدن،محقق ارشد موسسه MIT گفت: تغییرات زیادی در بدن طی چند ساعت تا چند هفته اتفاق می‌افتد،که این تغییرات در طول زمان قابل ردیابی نیستند.

به گفته محققان،اگر بتوان این روش را در دوره‌های زمانی طولانی‌تری گسترش داد،می‌توان از آن برای مطالعه فرآیندهایی مانند پیری و پیشرفت بیماری نیز استفاده کرد.

تاریخچه سلولی

سیستم‌های بیولوژیکی مانند اندام‌ها،حاوی انواع مختلفی از سلول‌ها هستند که همگی عملکردهای متمایزی دارند.یکی از راه‌های مطالعه این عملکردها، تصویربرداری از پروتئین‌ها، RNA، یا مولکول‌های دیگر درون سلول‌ها است که نکاتی را در مورد کاری که سلول‌ها انجام می‌دهند،ارائه می‌دهد.با این حال، اکثر روش‌ها برای انجام این کار فقط یک نگاه اجمالی به یک لحظه در زمان را ارائه می‌دهند،و یا با جمعیت‌های بسیار زیادی از سلول‌ها به خوبی کار نمی‌کنند.

لینگ هو یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه می گوید: سیستم های بیولوژیکی اغلب از تعداد زیادی از انواع مختلف سلول تشکیل شده اند.به عنوان مثال، مغز انسان دارای 86 میلیارد سلول است.برای درک این نوع سیستم‌های بیولوژیکی،ما باید رویدادهای فیزیولوژیکی را در طول زمان در این جمعیت‌های سلولی بزرگ مشاهده کنیم.

برای دستیابی به این دستاورد،این تیم تحقیقاتی ایده ثبت رویدادهای سلولی را به عنوان یک سری از زیر واحدهای پروتئینی که به طور مداوم به یک زنجیره اضافه می شوند،ارائه کردند.برای ایجاد زنجیره‌های خود، محققان از زیرواحدهای پروتئینی مهندسی شده استفاده کردند که معمولاً در سلول‌های زنده یافت نمی‌شوند و می‌توانند خود به خود به رشته‌های بلند تبدیل شوند.

محققان یک سیستم رمزگذاری ژنتیکی طراحی کردند که در آن یکی از این زیرواحدها به طور مداوم در داخل سلول ها تولید می شود،در حالی که دیگری تنها زمانی تولید می شود که یک رویداد خاص رخ دهد.هر زیر واحد حاوی یک پپتید بسیار کوتاه به نام برچسب اپی توپ است که در این مورد، محققان برچسب هایی به نام HA و V5 را انتخاب کردند.هر یک از این برچسب‌ها می‌توانند به یک آنتی‌بادی فلورسنت متفاوت متصل شوند و تجسم تگ‌ها و تعیین توالی زیر واحدهای پروتئین را آسان می‌کنند.

برای این مطالعه،محققان تولید زیر واحد حاوی V5 را منوط به فعال شدن ژنی به نام c-fos کردند که در رمزگذاری خاطرات جدید نقش دارد.زیر واحدهای دارای برچسب HA بیشتر، زنجیره را تشکیل می دهند، اما هر زمان که تگ V5 در زنجیره ظاهر شد، به این معنی است که c-fos در آن زمان فعال شده است.

او می گوید: ما امیدواریم که از این نوع خودآرایی پروتئین برای ثبت فعالیت در هر سلول استفاده کنیم. این عکس نه تنها یک عکس فوری در زمان حال را به ما ارائه می دهد،بلکه تاریخ گذشته را نیز ثبت می کند، درست مانند اینکه چگونه حلقه های درخت می توانند به طور دائم اطلاعات را در طول زمان با رشد چوب ذخیره کنند.

ثبت وقایع

در این مطالعه، محققان ابتدا از سیستم خود برای ثبت فعال‌سازی c-fos در سلول‌های عصبی در حال رشد در یک ظرف آزمایشگاهی استفاده کردند.ژن c-fos با فعال‌سازی شیمیایی نورون‌ها فعال شد که باعث شد زیرواحد V5 به زنجیره پروتئین اضافه شود.

برای بررسی اینکه آیا این رویکرد می‌تواند در مغز حیوانات کار کند،محققان سلول‌های مغز موش‌ها را برنامه‌ریزی کردند تا زنجیره‌های پروتئینی را تولید کنند که نشان می‌دهد چه زمانی این حیوانات در معرض یک داروی خاص قرار می‌گیرند.بعداً، محققان با حفظ بافت و تجزیه و تحلیل آن با میکروسکوپ نوری توانستند آن قرار گرفتن در معرض را تشخیص دهند.

محققان سیستم خود را بصورت چند بخشی طراحی کردند، به طوری که می توان برچسب های اپی توپ مختلف را با هم عوض کرد، یا انواع مختلفی از رویدادهای سلولی را تشخیص داد،مثلا،تقسیم سلولی با فعال شدن آنزیم هایی به نام پروتئین کیناز، که به کنترل بسیاری از مسیرهای سلولی کمک می کند.

محققان همچنین امیدوارند که دوره ضبط شده ای که قرار است به دست آورند را تمدید کنند. در این مطالعه، آنها رویدادها را حتی چندین روز قبل از تصویربرداری از بافت ثبت کردند.بین میزان زمانی که می توان ثبت کرد و وضوح زمانی با فرکانس ثبت رویداد،تفوت هایی وجود دارد،زیرا طول زنجیره پروتئین به اندازه سلول محدود می شود.

لینگ هو می گوید: مقدار کل اطلاعاتی که سلول می تواند ذخیره کند ثابت است، اما در اصل ما می توانیم سرعت رشد زنجیره را کاهش یا افزایش دهیم.اگر بخواهیم مدت زمان بیشتری ضبط کنیم، می‌توانیم سنتز را کندتر کنیم تا در عرض، مثلاً دو هفته، به اندازه سلول برسد.به این ترتیب می‌توانستیم همه چیز را طولانی‌تر،اما با زمان کمتر ضبط کنیم.

محققان همچنین در حال کار بر روی مهندسی این سیستم هستند تا بتواند انواع مختلفی از رویدادها را در یک زنجیره ثبت کند،و قرار است این کار را با افزایش تعداد زیر واحدهای مختلف که می‌توانند ترکیب شوند،انجام دهند.