Door een paar slimme moleculaire hacks, onderzoekers van het Columbia University Medical Center hebben een natuurlijk bacterieel immuunsysteem omgezet in een microscopische datarecorder, de basis leggen voor een nieuwe klasse van technologieën die bacteriële cellen gebruiken voor alles, van ziektediagnose tot milieumonitoring.

De onderzoekers hebben een gewone laboratoriumstam van de alomtegenwoordige menselijke darmmicrobe aangepast Escherichia coli , waardoor de bacteriën niet alleen hun interacties met de omgeving kunnen registreren, maar ook de gebeurtenissen kunnen voorzien van een tijdstempel.

"Zulke bacteriën, ingeslikt door een patiënt, misschien in staat zijn om de veranderingen die ze ervaren door het hele spijsverteringskanaal te registreren, waardoor een ongekend beeld ontstaat van voorheen ontoegankelijke verschijnselen, " zegt Harris Wang, universitair docent bij de afdeling Pathologie en Celbiologie en Systeembiologie aan het CUMC en senior auteur van het nieuwe werk, beschreven in het nummer van vandaag Wetenschap . Andere toepassingen zijn onder meer omgevingswaarneming en basisstudies in ecologie en microbiologie, waar bacteriën anders onzichtbare veranderingen konden volgen zonder hun omgeving te verstoren.

Wang en leden van zijn laboratorium creëerden de microscopische datarecorder door gebruik te maken van CRISPR-Cas, een immuunsysteem in vele soorten bacteriën. CRISPR-Cas kopieert DNA-fragmenten van binnendringende virussen, zodat volgende generaties bacteriën deze ziekteverwekkers effectiever kunnen afweren. Als resultaat, de CRISPR-locus van het bacteriële genoom verzamelt een chronologisch overzicht van de bacteriële virussen die het en zijn voorouders hebben overleefd. Wanneer diezelfde virussen opnieuw proberen te infecteren, het CRISPR-Cas-systeem kan ze herkennen en elimineren.

"Het CRISPR-Cas-systeem is een natuurlijk biologisch geheugenapparaat, ", zegt Wang. "Vanuit een technisch perspectief is dat eigenlijk best aardig, omdat het al een systeem is dat door evolutie is aangescherpt om echt geweldig te zijn in het opslaan van informatie."

CRISPR-Cas gebruikt normaal gesproken de geregistreerde sequenties om het DNA van binnenkomende fagen te detecteren en te knippen. De specificiteit van deze DNA-knipactiviteit heeft CRISPR-Cas tot de lieveling van gentherapie-onderzoekers gemaakt, die het hebben aangepast om precieze veranderingen aan te brengen in het genoom van gekweekte cellen, proefdieren, en zelfs mensen. Inderdaad, er zijn nu meer dan een dozijn klinische proeven aan de gang om verschillende ziekten te behandelen door middel van CRISPR-Cas-gentherapie.

Maar Ravi Sheth, een afgestudeerde student in het laboratorium van Wang, zag ongerealiseerd potentieel in de opnamefunctie van CRISPR-Cas. "Als je denkt aan het opnemen van tijdelijk veranderende signalen met elektronica, of een audio-opname ... dat is een zeer krachtige technologie, maar we dachten hoe kun je dit opschalen naar levende cellen zelf?" zegt Sheth.

Om hun microscopische recorder te bouwen, Sheth en andere leden van het Wang-lab hebben een stukje DNA aangepast, een plasmide genaamd, waardoor het in reactie op een extern signaal meer kopieën van zichzelf in de bacteriecel kan maken. Een apart opnameplasmide, die de recorder aandrijft en de tijd markeert, drukt componenten van het CRISPR-Cas-systeem uit. Bij afwezigheid van een extern signaal, alleen het opnameplasmide is actief, en de cel voegt kopieën van een spacersequentie toe aan de CRISPR-locus in zijn genoom. Wanneer een extern signaal wordt gedetecteerd door de cel, het andere plasmide wordt ook geactiveerd, wat leidt tot het invoegen van zijn sequenties in plaats daarvan. Het resultaat is een mengsel van achtergrondsequenties die tijd registreren en signaalsequenties die veranderen afhankelijk van de omgeving van de cel. De onderzoekers kunnen vervolgens de bacteriële CRISPR-locus onderzoeken en computerhulpmiddelen gebruiken om de opname en de timing ervan te lezen.

Het huidige artikel bewijst dat het systeem ten minste drie gelijktijdige signalen aankan en dagenlang kan opnemen.

"Nu zijn we van plan om te kijken naar verschillende markers die kunnen worden gewijzigd door veranderingen in natuurlijke of ziektetoestanden, in het maagdarmstelsel of elders, " zegt dr. Wang.

Synthetisch biologen hebben CRISPR eerder gebruikt om gedichten op te slaan, boeken, en afbeeldingen in DNA, maar dit is de eerste keer dat CRISPR is gebruikt om cellulaire activiteit en de timing van die gebeurtenissen vast te leggen.

De Wetenschap papier is getiteld, "Multiplex opname van cellulaire gebeurtenissen gedurende 1 keer in een biologische CRISPR-tape."