ДНК-мікроскоп створює 3D-зображення живих організмів

Нові горизонти у вивченні генетики відкриваються завдяки революційній технології, яку розробили вчені з Університету Чикаго. Ця методика, відома як волюметрична ДНК-мікроскопія, дозволяє створювати детальні тривимірні зображення організмів, розкриваючи не лише генетичний склад, а й точне розташування генів та молекул усередині клітин. Традиційні методи генетичного секвенування, хоча й інформативні, не могли показати просторову організацію генетичного матеріалу в зразках, таких як тканини чи краплі крові. Натомість ДНК-мікроскопія долає ці обмеження, пропонуючи науковцям безпрецедентний погляд на біологічні процеси зсередини.

Розробкою технології понад 12 років займався Джошуа Вайнштейн, доктор філософії, доцент медицини та молекулярної інженерії в Університеті Чикаго. У співпраці з постдокторантом Няньчао Цянем він опублікував результати дослідження в журналі Nature Biotechnology. У статті описано, як за допомогою ДНК-мікроскопії вдалося створити повне тривимірне зображення ембріона zebrafish — популярного модельного організму для вивчення розвитку та нейробіології. «Це рівень біології, який раніше ніхто не бачив. Побачити природу зсередини зразка — це надзвичайно захопливо», — зазначив Вайнштейн.

На відміну від класичних мікроскопів, які покладаються на світло чи лінзи, ДНК-мікроскопія формує зображення, аналізуючи взаємодії між молекулами. Процес починається з додавання до клітин коротких ДНК-міток, відомих як унікальні молекулярні ідентифікатори (UMI). Ці мітки прикріплюються до молекул ДНК і РНК, запускаючи хімічну реакцію, що створює копії самих себе. У результаті утворюються нові послідовності — унікальні ідентифікатори подій (UEI), які є специфічними для кожної пари молекул. Саме ці пари дозволяють побудувати просторову карту, що відображає розташування генетичного матеріалу: UMI, які перебувають близько один до одного, частіше взаємодіють і генерують більше UEI, ніж ті, що розташовані далі.

Після секвенування ДНК і РНК комп’ютерна модель аналізує фізичні зв’язки між мітками UMI та реконструює їхнє початкове розташування. Так створюється детальна карта генної експресії, яка показує, де саме в організмі активуються ті чи інші гени. Вайнштейн порівнює цей підхід із визначенням розташування людей у місті за допомогою даних про взаємодію їхніх мобільних телефонів. «Знаючи номер телефону чи IP-адресу людини, ми отримуємо аналог генетичної послідовності молекули. Але якщо додати інформацію про взаємодію з іншими телефонами поблизу, можна визначити їхнє місце розташування. Ми можемо робити це з телефонами й людьми, то чому б не застосувати це до молекул і клітин?» — пояснює він.

Ця технологія кардинально змінює підхід до візуалізації. Замість того, щоб спрямовувати світло на зразок за допомогою оптичних приладів, ДНК-мікроскопія використовує біохімію та ДНК для створення масштабної молекулярної мережі, яка кодує відстані між молекулами. Однією з ключових переваг методу є те, що він не потребує попереднього знання геному чи форми зразка. Це робить його особливо цінним для дослідження унікальних або невідомих контекстів, наприклад, при аналізі пухлин, які породжують численні генетичні мутації. Завдяки ДНК-мікроскопії вчені можуть картувати мікросередовище пухлини та її взаємодію з імунною системою, що відкриває нові можливості для розробки точніших імунотерапій проти раку чи персоналізованих вакцин.

Імунні клітини, які реагують на патогени чи взаємодіють між собою, роблять це залежно від контексту. ДНК-мікроскопія дозволяє розкрити генетичні механізми цих процесів, що раніше залишалися недоступними для вивчення. «Це основа для отримання повноцінної інформації про унікальні клітини в лімфатичній системі чи тканинах пухлини», — зазначає Вайнштейн. За його словами, досі існував значний технологічний розрив у розумінні специфічних тканин, і саме цю прогалину намагається заповнити його команда.

Розробка вже привернула увагу наукової спільноти. У перспективі ДНК-мікроскопія може стати незамінним інструментом у біомедицині, допомагаючи не лише зрозуміти складні біологічні системи, а й розробляти нові методи лікування. Наприклад, картування генетичної активності в реальному часі може пролити світло на те, як організми реагують на хвороби чи зовнішні впливи. Усе це робить технологію проривом, який обіцяє змінити наше уявлення про біологію на молекулярному рівні.

Дослідження, опубліковане в Nature Biotechnology під назвою «Просторово-транскриптомне зображення цілісного організму за допомогою волюметричної ДНК-мікроскопії», стало важливим кроком у розвитку цієї технології. Воно демонструє її потенціал і закладає фундамент для подальших застосувань у науці та медицині. На думку вчених, попереду ще багато роботи, але вже зараз зрозуміло, що ДНК-мікроскопія відкриває нову еру в дослідженні життя зсередини.