Sve ćelije u našem telu imaju isti genetski kod, a ipak se mogu razlikovati po svom identitetu, funkcijama i bolesnim stanjima. Razdvajanje jedne ćelije od druge na jednostavan način, u realnom vremenu, pokazalo bi se neprocenjivim za naučnike koji pokušavaju da razumeju upale, infekcije ili rak.
Sada su naučnici iz nemačkog Centra za molekularnu medicinu Maks Delbrik kreirali algoritam koji može da dizajnira takve alate koji otkrivaju identitet i stanje ćelija koristeći segmente DNK koji se nazivaju „sintetički regioni kontrole lokusa“ (sLCR). Mogu se koristiti u različitim biološkim sistemima. Nalazi tima koji je predvodio dr Gaetano Gargiulo, šef Laboratorije za molekularnu onkologiju, objavljeni su u Nature Communications.
„Ovaj algoritam nam omogućava da kreiramo precizne DNK alate za obeležavanje i proučavanje ćelija, nudeći nove uvide u ćelijsko ponašanje“, kaže Gargiulo, stariji autor studije. „Nadamo se da će ovo istraživanje otvoriti vrata jednostavnijem i skalabilnijem načinu razumevanja i manipulacije ćelijama.“
Ovaj napor je počeo kada je dr Karlos Kompani, bivši diplomirani student u laboratoriji Gargiulo i koautor studije, počeo da ulaže energiju u automatizaciju dizajna DNK alata i učinio ih dostupnim drugim naučnicima. On je kodirao algoritam za generisanje alata koji pomažu istraživačima da razumeju osnovne ćelijske procese, kao i procese bolesti kao što su rak, upale i infekcije.
„Ovaj alat omogućava istraživačima da ispitaju način na koji se ćelije transformišu iz jednog tipa u drugi. Posebno je inovativan jer sastavlja sva ključna uputstva koja usmeravaju ove promene u jednostavnu sintetičku DNK sekvencu. Zauzvrat, ovo pojednostavljuje proučavanje složenih ćelijskih ponašanja u važnim oblasti kao što su istraživanje raka i ljudski razvoj“, kaže kompanija.
Kompjuterski program je nazvan „logički dizajn sintetičke cis-regulatorne DNK“ (LSD). Istraživači unose poznate gene i faktore transkripcije povezane sa specifičnim stanjima ćelije koje žele da proučavaju, a program to koristi da identifikuje DNK segmente (promotore i pojačivače) koji kontrolišu aktivnost u ćeliji od interesa. Ove informacije su dovoljne da otkriju funkcionalne sekvence, a naučnici ne moraju da znaju precizan genetski ili molekularni razlog iza ponašanja ćelije; oni samo moraju da konstruišu sLCR.
Program traži unutar genoma ljudi ili miša kako bi pronašao mesta gde je velika verovatnoća da će se transkripcioni faktori vezati, kaže Julija Dramaretska, diplomirani student u laboratoriji Gargiulo i prvi autor. On generiše listu dugih sekvenci od 150 parova baza koje su relevantne i koje verovatno deluju kao aktivni promoteri i pojačivači za stanje koje se proučava.
„Očigledno, ne daje se nasumična lista tih regiona“, kaže ona. „Algoritam ih zapravo rangira i pronalazi segmente koji će najefikasnije predstavljati fenotip koji želite da proučavate.
Naučnici zatim mogu napraviti alat koji se zove sintetički lokus kontrolni region (sLCR), koji uključuje generisanu sekvencu praćenu segmentom DNK koji kodira fluorescentni protein.
„SLCR-ovi su kao automatizovana lampa koju možete da stavite u ćelije. Ova lampa se uključuje samo pod uslovima koje želite da proučavate“, kaže dr Mikela Serezi, istraživač u laboratoriji Gargiulo i prvi autor. Boja „lampe“ može da se menja kako bi odgovarala različitim interesnim stanjima, tako da naučnici mogu da pogledaju pod fluorescentnim mikroskopom i odmah saznaju stanje svake ćelije iz njene boje. „Očima možemo pratiti boju u petrijevoj posudi kada dajemo tretman“, kaže Seresi.
Naučnici su potvrdili korisnost kompjuterskog programa koristeći ga za skrining na lekove u ćelijama zaraženim SARS-CoV-2, kao što je objavljeno prošle godine u časopisu Science Advances. Takođe su ga koristili da pronađu mehanizme koji su umešani u karcinom mozga koji se naziva glioblastomi, gde nijedan tretman ne funkcioniše.
„Da biste pronašli kombinacije tretmana koje funkcionišu za određena stanja ćelija kod glioblastoma, ne samo da morate da razumete šta definiše ova stanja ćelija, već morate i da ih vidite kako nastaju“, kaže dr Matijas Jirgen Šmit, istraživač na laboratorija Gargiulo i prvi autor, koji je koristio alate u laboratoriji da pokaže njihovu vrednost.
Sada zamislite imune ćelije konstruisane u laboratoriji kao gensku terapiju za ubijanje jedne vrste raka. Kada se ubrizgaju u pacijenta, neće sve ove ćelije raditi kako je predviđeno. Neki će biti moćni, a drugi mogu biti u nefunkcionalnom stanju. Laboratorija Gargiulo će koristiti ovaj sistem za proučavanje ponašanja ovih delikatnih terapija zasnovanih na ćelijama protiv raka tokom proizvodnje.
„Uz pravu saradnju, ova metoda ima potencijal za unapređenje tretmana u oblastima kao što su rak, virusne infekcije i imunoterapije“, kaže Gargiulo.
