Hücreler günlük işlevlerini yerine getirirken çeşitli genleri ve hücresel yolları harekete geçirirler. MIT mühendisleri şimdi hücreleri, bu olayların geçmişini ışık mikroskobu kullanılarak görüntülenebilen uzun bir protein zincirine yazmaya ikna etti. Bu zincirleri üretmek üzere programlanan hücreler, belirli hücresel olayları kodlayan yapı taşlarını sürekli olarak ekliyor. Daha sonra, düzenli protein zincirleri floresan moleküllerle etiketlenebilir ve mikroskop altında okunabilir, böylece araştırmacılar olayların zamanlamasını yeniden yapılandırabilir. Bu teknik, hafıza oluşumu, ilaç tedavisine yanıt ve gen ifadesi gibi süreçlerin altında yatan adımlara ışık tutmaya yardımcı olabilir.
Y. Eva Tan Nöroteknoloji Profesörü, MIT’de biyoloji mühendisliği ve beyin ve bilişsel bilimler profesörü, Howard Hughes Tıp Enstitüsü araştırmacısı ve MIT’nin McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü ve Koch Bütünleştirici Kanser Araştırmaları Enstitüsü üyesi Edward Boyden, “Organ veya vücut ölçeğinde, saatler ila haftalar içinde meydana gelen ve zaman içinde izlenemeyen pek çok değişiklik var” diyor. Araştırmacılar, tekniğin daha uzun süreler boyunca çalışacak şekilde genişletilebilmesi halinde, yaşlanma ve hastalık ilerlemesi gibi süreçleri incelemek için de kullanılabileceğini söylüyor.
Edward Boyden, bugün Nature Biotechnology’de yayınlanan çalışmanın kıdemli yazarıdır. McGovern Enstitüsü’nde eski bir J. Douglas Tan Doktora Sonrası Araştırmacısı olan ve şu anda Michigan Üniversitesi’nde yardımcı doçent olarak görev yapan Changyang Linghu ise makalenin başyazarı. Organlar gibi biyolojik sistemler, her biri kendine özgü işlevlere sahip birçok farklı türde hücre içerir. Bu işlevleri incelemenin bir yolu, hücrelerin ne yaptığına dair ipuçları sağlayan proteinleri, RNA’yı veya hücrelerin içindeki diğer molekülleri görüntülemektir. Ancak, bunu yapmak için kullanılan yöntemlerin çoğu, zaman içinde yalnızca tek bir ana bir bakış sunar veya çok büyük hücre popülasyonlarında iyi çalışmaz.
Bunu başarmak için araştırma ekibi, hücresel olayları sürekli olarak bir zincire eklenen bir dizi protein alt birimi olarak kaydetme fikrini ortaya attı. Zincirlerini oluşturmak için araştırmacılar, normalde canlı hücrelerde bulunmayan ve uzun filamentler halinde kendi kendine birleşebilen mühendislik ürünü protein alt birimleri kullandılar. Araştırmacılar, bu alt birimlerden birinin sürekli olarak hücrelerin içinde üretildiği, diğerinin ise yalnızca belirli bir olay meydana geldiğinde üretildiği genetik olarak kodlanmış bir sistem tasarladılar. Her alt birim ayrıca epitop etiketi adı verilen çok kısa bir peptit içerir; bu durumda araştırmacılar HA ve V5 adı verilen etiketleri seçtiler. Bu etiketlerin her biri farklı bir floresan antikora bağlanabilir, bu da etiketleri daha sonra görselleştirmeyi ve protein alt birimlerinin dizisini belirlemeyi kolaylaştırır.
Bu çalışma için araştırmacılar, V5 içeren alt birimin üretimini, yeni anıların kodlanmasında rol oynayan c-fos adlı bir genin aktivasyonuna bağlı hale getirdiler. HA etiketli alt birimler zincirin çoğunu oluşturuyor, ancak V5 etiketi zincirde her göründüğünde, bu, c-fos’un o sırada etkinleştirildiği anlamına geliyor. Linghu, “Her bir hücredeki aktiviteyi kaydetmek için bu tür bir proteinin kendi kendine birleşmesini kullanmayı umuyoruz” diyor. “Bu sadece zaman içinde bir anlık görüntü değil, aynı zamanda geçmiş tarihi de kaydediyor, tıpkı ağaç halkalarının ahşap büyüdükçe zaman içinde bilgileri kalıcı olarak saklayabilmesi gibi.”
Bu çalışmada, araştırmacılar ilk olarak sistemlerini bir laboratuvar kabında büyüyen nöronlarda c-fos aktivasyonunu kaydetmek için kullandılar. C-fos geni, nöronların kimyasal olarak indüklenen aktivasyonu ile aktive edildi ve bu da V5 alt biriminin protein zincirine eklenmesine neden oldu. Bu yaklaşımın hayvanların beyinlerinde işe yarayıp yaramayacağını keşfetmek için araştırmacılar, farelerin beyin hücrelerini, hayvanlar belirli bir ilaca maruz kaldıklarında ortaya çıkacak protein zincirleri üretecek şekilde programladılar. Daha sonra araştırmacılar, dokuyu koruyarak ve ışık mikroskobuyla analiz ederek bu maruziyeti tespit edebildiler.
Araştırmacılar sistemlerini modüler olarak tasarladılar, böylece farklı epitop etiketleri değiştirilebilir veya prensipte hücre bölünmesi veya birçok hücresel yolu kontrol etmeye yardımcı olan ‘protein kinaz’ adı verilen enzimlerin aktivasyonu da dahil olmak üzere farklı hücresel olay türleri tespit edilebilir. Araştırmacılar ayrıca elde edebilecekleri kayıt süresini uzatmayı umuyorlar. Bu çalışmada, dokuyu görüntülemeden önce, birkaç gün boyunca olayları kaydettiler. Kaydedilebilecek zaman miktarı ile zaman çözünürlüğü ya da olay kayıt sıklığı arasında bir denge var çünkü protein zincirinin uzunluğu hücrenin boyutuyla sınırlı.
Linghu, “Depolayabileceği toplam bilgi miktarı sabittir, ancak prensipte zincirin büyüme hızını yavaşlatabilir veya artırabiliriz” diyor. “Eğer daha uzun süre kayıt yapmak istiyorsak, sentezi yavaşlatarak diyelim ki iki hafta içinde hücrenin boyutuna ulaşmasını sağlayabiliriz. Bu şekilde daha uzun süre kayıt yapabiliriz, ancak daha az zaman çözünürlüğü ile.” Araştırmacılar ayrıca, sisteme dahil edilebilecek farklı alt birimlerin sayısını artırarak aynı zincirde birden fazla olay türünü kaydedebilecek şekilde mühendislik üzerinde çalışıyorlar. Araştırma, Hock E. Tan ve K. Lisa Yang Otizm Araştırma Merkezi, John Doerr, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Ulusal Bilim Vakfı, ABD Ordusu Araştırma Ofisi ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü tarafından finanse edildi.