De biologische cel is een zeer complex geheel, waarin van alles gebeurt. Een van de gebeurtenissen in een cel is de genexpressie, waarbij DNA wordt afgelezen en wordt omgezet in eiwit of een functioneel RNA-molecuul. Genexpressie is iets wat bio-ingenieurs graag zouden willen vastleggen, bij voorkeur wanneer de cel nog in leven is. Santi Bhattarai-Kline, Seth Shipman en collega’s van Gladstone Institutes en UCSF ontwikkelden een manier om de transcripties in een cel op chronologische wijze op te nemen met behulp van een CRISPR-array en een ‘retron’.

Dat gaat als volgt: de onderzoekers maakten retrons – een stukje DNA dat codeert voor reverse transcriptase en een unieke enkelstrengs DNA/RNA-molecuul – die compacte specifieke moleculaire tags produceren. Die tags kun je onder de controle brengen van andere stukjes DNA, zogenoemde promotors. Als zo’n promotor actief is, wordt de tag-reeks getranscribeerd in RNA en vervolgens door de retron reverse transcriptase (RT) weer terug omgezet in een soort DNA-bonnetje. Dat losse stukje DNA bindt dan aan Cas1-Cas2 en komt terecht in de CRISPR-array na de eerste spacer.

Als daarna een andere promotor actief wordt, herhaalt zich deze sequentie maar dan met een ander stukje DNA dat in de CRISPR-array terechtkomt. Op die manier krijg je een lineaire keten van DNA-fragmenten in de array die de transcripties op chronologische wijze heeft opgeslagen. Deze biotechnologie doopten de onderzoekers ‘Retro-Cascorder’.

Shipman en collega’s laten in het Nature-artikel zien hoe ze de expressie van twee verschillende genen kunnen vastleggen. De data blijft heel goed bewaard, zelfs na achttien celdelingen. Pas vanaf zo’n 45 delingen begon de volgorde enigszins af te wijken.

Qua toepassingen denken de Amerikanen aan ‘levende biosensoren’ die het milieu kunnen monitoren. In vervolg onderzoek zou je kunnen kijken naar modificaties aan dit systeem waarmee je de aanwezigheid van pathogenen of metabolieten kunt vastleggen. In de toekomst willen ze er in ieder geval complexere celgebeurtenissen mee vast leggen.

Bhattarai-Kline, S. et al. (2022) Nature, doi.org/10.1038/s41586-022-04994-6