به کمک تصویر برداری فراصوت ، بیان ژن ها در بدن آشکار می شود

برخی از مهمترین ابزارهای موجود در جعبه ابزار زیست شناسان سلولی مدرن ، قطعات خاصی از DNA هستند که مانند جاسوس ها عمل می کنند و عملکرد سلول را گزارش می دهند. نشانگرها که به عنوان ژن های گزارشگر شناخته می شوند ، به محققان این امکان را می دهند که با مشاهده برنامه های ژنتیکی تعبیه شده در DNA  ، در مورد کاری که سلولها انجام میدهند ، شناخت پیدا کنند.

ژن های گزارشگر با رمزگذاری پروتئین هایی که از خارج سلول دیده می شوند کار می کنند. یکی از ژن های گزارشگر معروف ، چیزی به نام پروتئین فلورسنت سبز (GFP) را رمزگذاری می کند ، که همانطور که از نامش پیداست ، پروتئینی است که تابش سبز روشن دارد. بنابراین ، مثلا اگر یک محقق بخواهد در مورد چگونگی تبدیل شدن سلول ها به سلولهای عصبی اطلاعات بیشتری کسب کند ، می تواند ژن GFP را در کنار یک ژن عصبی در DNA جنین وارد کند. هنگامی که سلولهای جنین ژن عصبی را روشن می کنند ، ژن GFP را نیز بیان می کنند و سلول ها به رنگ سبز درخشان در می آیند و این امر را برای محقق آسان میسازند که متوجه شود برنامه ژنتیکی که رمزگذاری تشکیل سلول های عصبی را به عهده دارد فعال است.

با اینکه این تکنیک مفید است ، محدودیت بزرگی هم دارد : از آنجا که نور در بیشتر بافت های زنده به خوبی نفوذ نمی کند ، نمی توان از ژن GFP برای بررسی فعالیت سلول های عمیق درون ارگانیسم استفاده کرد. اما در حال حاضر ، موسسه تکنولوژی  Mikhail Shapiro راه حلی دارد. گروهی متشکل از Shapiro ، استاد مهندسی شیمی و محقق موسسه تحقیقات پزشکی ، دانشجوی فارغ التحصیل آرش فرهادی و همکارانشان ، یک ژن گزارشگر را ایجاد کرده اند که به آنها این امکان را میدهد که فعالیت ژنتیکی را با استفاده از تصویربرداری اولتراسوند ( فراصوت ) که برخلاف نور می تواند عمیقا به بافت نفوذ کند ، مشاهده کنند.   

محققان این روش را در مقاله ای در مجله science شرح داده اند.برای توسعه "ژنهای گزارشگر صوتی" ، فرهادی و Shapiro  پروتئین هایی را از گونه ای از باکتری های شناور که حاوی اجزای پروتئینی کوچکی پر از هوا به نام وزیکول های گازی میباشند ، وام گرفته اند.

علاوه بر داشتن شناوری ، وزیکولهای گازی دارای خاصیت مفید دیگری نیز هستند : همانطور که آزمایشگاه شاپیرو در سال 2014 نشان داد ، این وزیکول ها در تصویربرداری با اولتراسونوگرافی به شدت مشخص می شوند. اگر محققان بتوانند راهی برای مهندسی یک سلول که این نانوساختارها را در هنگام فعال بودن یک برنامه ژنتیکی ویژه تشکیل دهد ، پیدا کنند ، سلولها زمانی که در معرض اولتراسونوگرافی قرار میگیرند ، مشخص می شوند.

برای تبدیل ژن های کد کننده پروتئین های وزیکولی گازی به یک ژن گزارشگر ، لازم بود شاپیرو و فرهادی کاری را انجام دهند که قبلاً انجام نشده بود : قرار دادن یک برنامه ژنتیکی حاوی نه ژن از باکتری ها به سلول های پستانداران ، در این مورد ، سلول های مشتق شده از کلیه های انسان ( سلول های HEK ).

انجام این کار ، فرایند ساده ای نبود زیرا باکتری ها و پستانداران ژن های موجود در DNA خود را با روش متفاوتی نسبت به هم می خوانند. این بدان معناست که اگرچه شاپیرو و فرهادی می توانند DNA باکتریایی را به سلولهای پستانداران  وارد کنند ، اما آن سلولها نمی دانند با آن DNA چه باید بکنند ، مانند برنامه ای که برای یک کامپیوتر اپل نوشته شده و روی کامپیوتر ویندوز اجرا نمی شود.

فرهادی می گوید : " فرآیند ترجمه در دو نوع سلول بسیار متفاوت است." "یکی از بزرگترین تفاوت ها این است که قرارگیری چند ژن پشت سر هم که به یک قطعه از RNA رونویسی میشوند و سپس به تمام پروتئین های مربوطه ترجمه می شوند در DNA باکتری ها مرسوم است ، در حالی که در یوکاریوت ها ، معمولا هر ژن بطور مستقل وجود دارد."

شاپیرو می گوید که راه حل این موضوع  ، منابع دیگری از DNA میباشند : ویروس ها.

شاپیرو می گوید : "ویروس ها نیز باید سلول های پستانداران را در بیان گروهی از پروتئین ها فریب دهند." "بنابراین ما از عناصر ویروسی برای فریب سلول در تولید ژن های متعدد از یک قطعه مشترک RNA استفاده کردیم." به این ترتیب ، فرهادی و همکارانش هشت ژن را با هم در یک قطعه RNA ترکیب کردند.

با این حال ، حتی پس از قرار دادن DNA باکتریایی در سلولهای HEK ، شاپیرو و فرهادی هنوز راه حل کاملی نداشتند. سلول ها در حال ساخت پروتئین های وزیکولی گازی بودند ، اما وزیکول های گازی در حال شکل گیری نبودند. معلوم شد که پروتئین ها علاوه بر تولید نیاز به تولید در نسبت های مناسب نیز دارند.

شاپیرو آن را به یک بخش ساختمانی تشبیه می کند. یک ساختمان ممکن است از چوب ، شیشه و آجر ساخته شود ، اما اگر کارگران بیشتر از پنجره ها استفاده کرده و تنها از چند آجر استفاده کنند ، قادر به ساختن یک ساختمان نخواهند بود.

علاوه بر تأمین مصالح ساختمانی ، برخی از پروتئین های رمزگذاری شده توسط ژن های وزیکول گازی مانند ماشین آلات ساختمانی - جرثقیل ها ، بولدوزرها و غیره که برای ساختن وزیکول های گازی استفاده می شوند ، عمل می کنند. اگر یک بخش ساختمانی دارای 50 جرثقیل باشد اما فقط یک بولدوزر وجود داشته باشد ، احتمالاً پروژه به پایان نخواهد رسید. نسبت ها ، مجددا ، مهم هستند.

فرهادی گفت : " نسبت های صحیح پروتئین ها در خوشه های ژنی باکتریایی برنامه ریزی شده اند ، اما وقتی آنها را در سلول های پستانداران قرار می دهیم ، باید بدانیم که این نسبت ها چقدر باید باشند  و چگونه سلول های پستانداران را برای ساخت درست این نسبت ها آماده سازیم."  

شاپیرو و فرهادی می گویند که ما متوجه شدیم که این امر به فرآیندی اصولی نیاز دارد که سال ها طول بکشد. آنها میگویند ، اکنون که ژنها در حال کار هستند ، قادر به استفاده از آنها برای مطالعه بیان ژن در تومورها ، سلولهای ایمنی ، سلولهای عصبی و دیگر انواع سلولها در موجودات زنده خواهیم بود. آنها امیدوارند با پیشرفت های بیشتر ، زیست شناسان سراسر جهان از اولتراسونوگرافی در موجودات همتای مدل برای بررسی سلولهای موجود در بافت زیستی طبیعی خود استفاده کنند و پزشکان روزی از اولتراسونوگرافی برای بررسی سرنوشت درمان های مبتنی بر سلول در بیماران استفاده کنند.

شاپیرو می گوید : "بیش از 20 سال از کار برای ارتقا پروتئین های فلورسنت گذاشته شده است و احتمالاً 20 سال دیگر کار داریم تا بتوانیم آنچه را که ایجاد کرده ایم  بهبود بخشیم ، البته این تنها یک فرضیه است."مقاله ای که یافته های آنها را  با عنوان " تصویربرداری اولتراسوند از بیان ژن در سلول های پستانداران" شرح میدهد ، اخیرا در مجله Science منتشر شده است.