Ćelije se dinamički menjaju tokom vremena tokom embrionalnog razvoja i starenja, kao i kod bolesti kao što su upale i rak. Neke populacije se šire, druge opadaju. Sposobnost praćenja ovih promena tokom vremena, bez ubijanja ćelija koje se mere, pružila bi moćan uvid u mnoge procese.
Molekuli RNK, koji služe kao uputstva za pravljenje proteina koje ćelija koristi za svoje različite funkcije, mogu dati precizne tragove o tome šta se dešava u ćelijama. Međutim, trenutne najsavremenije tehnologije za ispitivanje RNK zahtevaju ubijanje ćelije: njeno otvaranje kako bi se prikupili i analizirali svi molekuli u njoj. To znači da istraživači mogu da snime samo snimak stanja ćelije neposredno pre nego što je umrla, umesto da mogu da posmatraju kako se razvija i menja tokom vremena.
„Čitanje“ RNK u ćeliji je koristan način za proučavanje bioloških procesa, ali zapravo petljanje sa RNK u ćeliji ili „zapisivanje“ RNK u ćeliji je moćno sredstvo za uticaj na ćelijsko ponašanje i stoga lečenje bolesti. Na primer, nekoliko vakcina za COVID-19 deluje tako što isporučuje mesindžer RNK (mRNK) u ćeliju i na taj način izaziva proizvodnju antitela protiv virusa. RNK bi mogla da bude korisno sredstvo za rešavanje različitih bolesti, ali je isporuka u prave ćelije bila izazovna.
Sada su istraživači sa Caltech-a razvili jedinstven sistem koji se bavi i izazovima u „čitanju“ i „pisanju“ RNK. Nova tehnologija omogućava naučnicima da proučavaju RNK u ćelijama tokom vremena bez njihovog uništavanja, pružajući novi način praćenja bezbrojnih ćelijskih procesa od razvoja embriona do raka. Zanimljivo je da isti sistem takođe omogućava programiranje ćelija da isporuče RNK drugim ćelijama, otvarajući mogućnosti inženjeringa ćelijskog ponašanja na specifične načine i potencijalno omogućavajući nove terapijske strategije.
„Postoji mnogo procesa u biologiji u kojima želimo da znamo kako se ćelije menjaju tokom vremena“, kaže postdoktorski naučnik Feliks Horns, prvi autor studije. „Na primer, tokom razvoja, embrion se razvija u mnoga različita tkiva promenom ćelijskih stanja. Brojne bolesti poput raka su procesi koji se odvijaju tokom vremena, a, naravno, i starenje se dešava kroz promene tokom vremena.“
„RNA igra centralnu ulogu u nalaženju ćeliji šta da radi“, dodaje Horns. „Ako možemo da izmerimo RNK koju ćelija izražava, to nam omogućava da pročitamo šta ona radi. Pored toga, kao što smo svi videli u poslednjih nekoliko godina u obliku RNK vakcina, možemo da stavimo uputstva u ćeliju i programirajte ono što radi isporukom mRNA.“
„Neverovatna stvar je da isti molekularni uređaj — naš sistem za izvoz RNK — rešava dva naizgled nezavisna izazova očitavanja i kontrole“, kaže Majkl Elovic, profesor biologije i bioinženjeringa i istraživač na Medicinskom institutu Hauard Hjuz.
Istraživanje je sprovedeno prvenstveno u laboratoriji Elovitz i predstavlja saradnju sa laboratorijama dva dodatna fakulteta Caltecha: Pamelom Bjorkman, profesorom biologije i biološkog inženjerstva David Baltimore i profesorom Instituta Merkin; i Carlos Lois, istraživač profesor biologije. Rad koji opisuje studiju pojavio se u časopisu Cell.
Novi sistem, nazvan COURIER (kontrolisani izlaz i unos RNK za ispitivanje, ekspresiju i regulaciju), omogućava izvoz RNK iz ćelija. Sa COURIER-om se može genetski konstruisati ćelija da spakuje deo sopstvene RNK u male kontejnere za proteine koji se sami sastavljaju, a zatim je „isporučuje“ (ili luči) u vezikulu vezanu za membranu.
Na primer, istraživači bi mogli da programiraju kutije tako da pakuju određenu vrstu RNK koja je potpis bolesti, ili specifičnu „ćelijsku identifikacionu karticu“ da kažu istraživačima koju ćeliju gledaju. Alternativno, mogli bi da programiraju kutije da inkapsuliraju uzorke sve RNK prisutne u ćeliji, dajući snimak onoga što ćelija radi u širem smislu.
U svakom slučaju, mali paketi RNK napuštaju ćeliju, omogućavajući istraživačima da prikupe i analiziraju dokaze o unutrašnjem funkcionisanju ćelije bez ometanja. Na ovaj način, istraživači mogu da koriste COURIER i izvezenu RNK da prate kako se populacije ćelija menjaju tokom vremena tokom dinamičkih procesa kao što su rak ili razvoj embriona.
Druga kategorija aplikacija za COURIER je isporuka terapeutika. Nakon što se izveze iz ćelije, proteinski kontejner može da se spoji sa drugom ćelijom i isporuči RNK u nju. Ta ćelija tada može da eksprimira proteine kodirane RNK, koji mogu biti dizajnirani za različite funkcije: uređivanje genoma, menjanje stanja ćelije ili njeno ubijanje ako je u bolesnom stanju.
Trenutno, mRNA vakcine za COVID-19 funkcionišu na sličan način, isporučujući mRNK koja kodira fragmente virusa SARS-CoV-2 i potom izazivajući proizvodnju antitela. Isporuka mRNA mogla bi da omogući niz različitih vrsta lekova pored vakcina. Međutim, ključni izazov je bio kako isporučiti mRNA relevantnim tipovima ćelija.
„Žive ćelije bi, u principu, mogle da funkcionišu kao programabilna sredstva za isporuku mRNA koja donose terapeutsku mRNA u prave ćelije na pravim mestima u telu“, kaže Elovic. „Da bismo ostvarili tu viziju, potreban nam je način da izvezemo specifične mRNK u formatu koji mogu da preuzmu i izraze druge ćelije. To je ono što ovaj sistem pruža. COURIER omogućava jednoj ćeliji da proizvodi mRNA, a zatim je inkapsulira u čestice koje isporučuju drugim ćelijama, koje ga onda izražavaju.“
