Seth Shipman a înregistrat un film în ADN – și acesta este doar începutul

Sigla SN10 2019

Seth Shipman este o navă a inovației biologice. El colectează părți utile – de la bacterii, celule nervoase, sume de date genetice – și le transformă în instrumente care fac lucruri uimitoare.

Una dintre cele mai bune creații ale sale de până acum este o colecție de celule bacteriene vii cu ADN care poartă un film iconic al unui cal care alergă. Înregistrarea imaginilor sau a oricărei alte informații în materialul genetic al celulelor vii nu este doar pentru divertisment; le va oferi oamenilor de știință vederi despre procese care sunt de obicei ascunse.

Imaginați-vă că proiectați celule de păstrare a înregistrărilor capabile să asculte cu urechea distrugerea celulară care precede demența în creier. Sau monitorizarea instrucțiunilor genetice elaborate care spun unei celule cerebrale cum să se dezvolte. Sau chiar să văd momentul exact în care pașii greșiți celulari încep să creeze o tulburare precum schizofrenia.

Oamenii de știință nu pot face nimic din toate acestea încă. Dar Shipman, 36 de ani, are răbdare. „Dacă ești îngrijorat de ceea ce poți face acum, este greu să faci un mare pas înainte”, spune Shipman, un biotehnolog la Universitatea din California, San Francisco și Gladstone Institutes, o organizație nonprofit de cercetare din UC San. campusul Francisco. Pentru a merge mai departe necesită adesea o pauză, o socoteală atentă pentru a vă examina uneltele și a privi puțin în jur, spune Shipman.

Dorința sa de a schimba perspectiva și de a traversa discipline – neuroștiință, microbiologie, inginerie și chiar artă – este neobișnuită în rândul oamenilor de știință, spune Roger Nicoll, un neuroștiință care a supravegheat Ph.D. al lui Shipman. lucrează la UC San Francisco. „Devin foarte nervos când ies din zona mea de confort”, spune Nicoll. „Nu are zonă de confort.”

Shipman combină „această abilitate de a face un pas înapoi și de a obține o perspectivă profundă cu un nivel incredibil de ridicat de rigoare pentru a urmări acel filon de aur pe care îl întâlnește”, adaugă Nicoll. Faza filmului bacterian, de exemplu, a venit din frustrarea lui Shipman cu lipsa instrumentelor bune. El a vrut să monitorizeze comportamentul genelor în interiorul celulelor pe măsură ce trece timpul, dar una dintre singurele modalități de a urmări acest comportament necesită uciderea celulelor. „Acea distrugere este ceva care este cu adevărat incompatibil cu ceva care se întâmplă în timp”, spune el. Așa că, în loc să bată cu uneltele greșite, a dat înapoi și s-a gândit la cum ar arăta unealta ideală.

Sistemul perfect ar monitoriza în mod discret evenimentele celulare din interior și ar oferi o înregistrare a acelor activități. În timpul unui post-doctorat la Universitatea Harvard, Shipman și colegii și-au dat seama cum să folosească cel mai bine instrumentul de editare genetică CRISPR pentru a face ca ADN-ul bacterian să accepte fragmente străine, o tehnică descrisă în 2016 în Ştiinţă. Odată ce acest lucru a fost realizat, „a fost plecat la curse”, spune el.

Film codificat cu ADN
Folosind CRISPR, cercetătorii au codificat cinci cadre în acest GIF de 36 pe 26 de pixeli în ADN-ul bacteriilor E. coli. Imaginile au fost apoi decodificate din generațiile ulterioare de bacterii (imagini originale, stânga; reconstruite din bacterii, dreapta).S. Shipman

După discuții cu colegul său de bancă de la Harvard, artistul și biologul Joe Davis, Shipman a decis să transfere instrucțiunile pentru imaginile unui cal care alergă ca un semn din cap către creatorul imaginilor, tehnologul timpuriu Eadweard Muybridge. La sfârșitul anilor 1800, în parte pentru a soluționa o dezbatere cu privire la faptul dacă caii de alergare sunt vreodată în aer complet, fără picioarele atingând pământul, Muybridge a creat o serie de imagini de cai care au surprins mișcarea. Alegerea „pur și simplu părea să se potrivească”, spune Davis.

Răspunsul la filmul cu calul care alergă a fost mare. „Nu am avut niciodată o reacție la o astfel de lucrare”, spune Shipman. Oamenii de știință au fost încântați de perspectivele tehnologiei. Jurnaliştii au fost vrăjiţi de ideea unui film încorporat în ADN. Până și istoricii Muybridge s-au entuziasmat.

Capacitatea de a pune informații externe în celulele vii, în ordinea corectă, descrisă în 2017 în Natură, l-a adus pe Shipman cu un pas mai aproape de scopul său final: să construiască un instrument care să înregistreze informații celulare sofisticate în interiorul ADN-ului celulelor vii și să dezvăluie procese biologice care au rămas misterioase. Acum, echipa lui Shipman lucrează la o altă mare parte a problemei: convinge celulele să înregistreze informații pe cont propriu.

„Seth a fost pionier în unele dintre lucrările foarte timpurii și importante în acest domeniu”, spune biologul sintetic Harris Wang de la Universitatea Columbia, al cărui laborator lucrează și la metodele de înregistrare celulară. „El va împinge avansarea acestui domeniu.”

circuitele celulelor nervoase
Seth Shipman și colegii săi creează circuite simple de celule nervoase umane în vase de laborator, care ar putea oferi indicii despre modul în care se formează rețele mai complexe. (Axonii care trimit mesaje sunt verzi, dendritele care primesc mesaje sunt portocalii, nucleii celulari sunt albaștri, iar astrocitele sunt violete.)S. Shipman

Când Shipman și Davis au lucrat cot la cot la Harvard, au avut discuții ample, care depășeau limitele. „Aș putea să plutesc idei cu adevărat nebune”, spune Davis, „și el ar putea pluti idei cu adevărat nebunești”. Davis menționează „neuronul zen”, o singură celulă nervoasă pe care au crescut-o singuri într-un vas. Fără neuroni în apropiere către care să trimită vârlele, această celulă neobișnuită s-a conectat la ea însăși.

Acum, în propriul său laborator de la UC San Francisco și Gladstone, Shipman încă cultivă neuroni. Mulți oameni de știință încearcă să descopere cum celulele își formează conexiunile complexe prin ruperea acestor conexiuni. „În loc să luăm ceva care funcționează și să-l spargem, facem ceva și încercăm să-i impunem ordine”, spune Shipman.

Sistemul său redus, format din unul până la cinci neuroni care cresc pe o singură „insulă”, oferă o modalitate de a testa regulile care guvernează forma rețelelor mai elaborate din creier. În cele din urmă, capacitatea de a direcționa celulele pentru a forma conexiunile potrivite ar putea deveni baza terapiilor cu celule stem pentru tulburările cerebrale. Neuronii perfect programați ar putea înlocui fără probleme celulele pierdute în bolile neurodegenerative.

Oricine poate ghici unde ar putea duce chinuirea lui Shipman. „Nu există nicio îndoială că se va descurca foarte bine, dar nu ai idee unde va ajunge”, spune Nicoll, „ceea ce este grozav”.