Recordanelles: Το σύστημα που καταγράφει το ιστορικό δραστηριότητας των μορίων RNA μέσα στα κύτταρα!

Σύνοψη

• Ερευνητές του τμήματος Biosystems Science and Engineering στο ETH Zurich ανέπτυξαν ένα βιολογικό σύστημα αρχειοθέτησης που καταγράφει τη δραστηριότητα των μορίων RNA μέσα στα ίδια τα ανθρώπινα κύτταρα για αρκετές ημέρες.
• Η επαναστατική τεχνική ονομάζεται "Recordanelles" και επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάζουν το ιστορικό της κυτταρικής λειτουργίας, προσφέροντας δεδομένα που μέχρι πρότινος χάνονταν επειδή τα μόρια RNA αποδομούνται εξαιρετικά γρήγορα.
• Μέσω πλασμιδίων, τα κύτταρα λαμβάνουν τα προσχέδια τριών βελτιστοποιημένων πρωτεϊνών και συναρμολογούν μόνα τους τον μηχανισμό καταγραφής, ο οποίος διατηρεί ανέπαφα χιλιάδες μόρια RNA προστατεύοντάς τα από τα κυτταρικά ένζυμα.
• Η ευρεία εφαρμογή της μεθόδου αναμένεται να ενισχύσει καθοριστικά τη στοχευμένη ογκολογική έρευνα, καθώς θα αποκαλύπτει τον ακριβή μηχανισμό με τον οποίο τα καρκινικά κύτταρα επιβιώνουν από τις χημειοθεραπείες και αναπτύσσουν ανθεκτικότητα.

Η κατανόηση της κυτταρικής λειτουργίας βασιζόταν μέχρι σήμερα σε στιγμιότυπα της γονιδιακής δραστηριότητας, καθώς τα μόρια RNA που αποτελούν τα φυσικά αντίγραφα των ενεργών γονιδίων έχουν εξαιρετικά σύντομη διάρκεια ζωής και αποδομούνται ταχύτατα μέσα στον βιολογικό οργανισμό. 

Ερευνητές από το τμήμα Biosystems Science and Engineering του ETH Zurich παρουσίασαν έναν καινοτόμο μηχανισμό αρχειοθέτησης, ο οποίος επιτρέπει για πρώτη φορά την αναδρομική εξέταση της δραστηριότητας ενός κυττάρου. Η πρωτοποριακή μελέτη περιγράφει την ανάπτυξη ενός συστήματος που λειτουργεί ουσιαστικά ως ένας βιολογικός σκληρός δίσκος στο εσωτερικό των ανθρώπινων κυττάρων, διατηρώντας χιλιάδες μόρια RNA άθικτα για χρονικό διάστημα αρκετών ημερών.

Για να αντιληφθούμε το μέγεθος του τεχνολογικού επιτεύγματος, αρκεί να σκεφτούμε ότι οι συμβατικές μέθοδοι καταγραφής απαιτούν την απόλυτα ακριβή χρονική στιγμή μέτρησης προκειμένου να αποτυπώσουν την αντίδραση ενός κυττάρου σε ένα εξωτερικό ερέθισμα. Αν η διαδικασία της μέτρησης καθυστερήσει έστω και ελάχιστα, η κυτταρική απάντηση έχει ήδη ολοκληρωθεί και τα σχετικά μόρια RNA έχουν εξαφανιστεί, αφήνοντας τους επιστήμονες στο απόλυτο σκοτάδι σχετικά με το ποια γονίδια ενεργοποιήθηκαν προηγουμένως. 

Ο Marcos Manero Carranza, διδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του καθηγητή Randall Platt και ένας εκ των κύριων συγγραφέων της έρευνας, εξήγησε πως η νέα μέθοδος παρακάμπτει ριζικά αυτόν τον περιορισμό,παρέχοντας τη δυνατότητα στους επιστήμονες να ανακτήσουν πληροφορίες για κύτταρα τα οποία αποκτούν ερευνητικό ενδιαφέρον σε μεταγενέστερο στάδιο.

Για δεκαετίες, η βιολογική έρευνα βασιζόταν σε τεχνικές επόπτευσης που παρείχαν μια αυστηρά στατική εικόνα της κυτταρικής κατάστασης. Η παραδοσιακή αλληλούχιση RNA μεμονωμένων κυττάρων (single-cell RNA sequencing) προσφέρει μεν τεράστιο όγκο δεδομένων, εντούτοις μοιάζει με την προσπάθεια κατανόησης της πλοκής μιας κινηματογραφικής ταινίας μέσα από την ενδελεχή ανάλυση ενός και μόνο τυχαίου καρέ. Αυτή η προσέγγιση κρίνεται ανεπαρκής όταν μελετώνται δυναμικά βιολογικά φαινόμενα, όπως η ανοσολογική απόκριση απέναντι σε μια λοίμωξη ή η κυτταρική προσαρμογή σε εξαιρετικά τοξικούς παράγοντες. Το σύστημα που σχεδιάστηκε στην Ελβετία επιλύει αυτή τη θεμελιώδη αδυναμία, μετατρέποντας τη στατική παρατήρηση σε συνεχή παρακολούθηση, επιτρέποντας την ακριβή καταγραφή των αλλαγών που συμβαίνουν στο μεταγράφωμα (transcriptome) του κυττάρου κατά τη διάρκεια κρίσιμων χρονικών παραθύρων.

Ο μηχανισμός λειτουργίας του συστήματος αξιοποιεί εντέχνως τον ίδιο τον μοριακό εξοπλισμό του κυττάρου. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πλασμίδια προκειμένου να εισαγάγουν τον πολύπλοκο γενετικό κώδικα για τρεις προσεκτικά σχεδιασμένες πρωτεΐνες. Μόλις το κύτταρο διαβάσει αυτόν τον κώδικα, αρχίζει να παράγει τις πρωτεΐνες, οι οποίες συμπλέκονται μεταξύ τους δημιουργώντας τις δομές που ονομάζονται Recordanelles. Αυτά τα μικροσκοπικά συστήματα λειτουργούν ως απόλυτα ασφαλείς αποθήκες, δεσμεύοντας τα μόρια RNA που παράγονται από τα ενεργά γονίδια και μονώνοντάς τα από τα κυτταρικά ένζυμα που φυσιολογικά θα τα αποδομούσαν μέσα σε ελάχιστα λεπτά. Το αποτέλεσμα είναι η μακροχρόνια διατήρηση ενός πλούσιου μοριακού αρχείου, το οποίο μπορεί να διαβαστεί από τους ερευνητές αρκετές ημέρες μετά την εμφάνιση του αρχικού βιολογικού ερεθίσματος.

Οι προεκτάσεις της ανακάλυψης για τον τομέα της κλινικής ογκολογίας αναμένονται καθοριστικές, καθώς η αδυναμία παρακολούθησης των καρκινικών κυττάρων που επιβιώνουν από τις στοχευμένες θεραπείες αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην αποτελεσματική καταπολέμηση της νόσου. Τα κύτταρα που καταφέρνουν να ξεφύγουν από την τοξική δράση των χημειοθεραπειών, ευθύνονται για τις περισσότερες υποτροπές και μέχρι σήμερα δεν υπήρχε τρόπος να μελετηθούν πριν ολοκληρωθεί η θεραπεία, αφού κανείς δεν γνώριζε εκ των προτέρων ποια από αυτά θα καταφέρουν τελικά να επιβιώσουν. Εφαρμόζοντας την τεχνολογία των Recordanelles, οι ερευνητές έχουν πλέον τη δυνατότητα να τα απομονώσουν εκ των υστέρων, να εξετάσουν το κυτταρικό τους παρελθόν και να εντοπίσουν ακριβώς ποιους γενετικούς μηχανισμούς ενεργοποίησαν προκειμένου να αναπτύξουν ανθεκτικότητα απέναντι στα ισχυρά φάρμακα.

Η ερευνητική ομάδα του ETH Zurich βασίστηκε σε σημαντικές προηγούμενες επιτυχίες της στον τομέα της γενετικής μηχανικής, συνδυάζοντας την πολύτιμη τεχνογνωσία από τεχνικές επεξεργασίας γονιδιώματος CRISPR-Cas με την πρωτοποριακή συνθετική βιολογία. Το εργαστήριο του Randall Platt επικεντρώνεται σταθερά στην ανάπτυξη βιολογικών εργαλείων καταγραφής, έχοντας παρουσιάσει στο παρελθόν βακτήρια ικανά να καταγράφουν με ακρίβεια την κατάσταση της υγείας του εντέρου. Η μεταφορά και η επιτυχημένη λειτουργία ενός τόσο πολύπλοκου μηχανισμού καταγραφής ολόκληρου του μεταγραφώματος στο εσωτερικό ζωντανών ανθρώπινων κυττάρων συνιστά ένα τεχνολογικό άλμα που εδραιώνει την ευρωπαϊκή έρευνα στην αιχμή της παγκόσμιας βιοτεχνολογίας, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δημιουργία νέων φαρμάκων που θα αποτρέπουν εκ των προτέρων την ανάπτυξη κυτταρικής ανθεκτικότητας.

Όταν οι επιστήμονες αποκτούν τη δυνατότητα να διαβάζουν το «ημερολόγιο» ενός κυττάρου, ανοίγει ένας εντελώς νέος δρόμος για την πλήρη αποκρυπτογράφηση των αλυσιδωτών βιολογικών αντιδράσεων που καθορίζουν τη δύσκολη μετάβαση από την υγεία στην ασθένεια.