כך צילמו חוקרים את אריזת הדנ"א ברזולוציה חסרת תקדים

הדנ"א שבתוך כל תא אנושי ארוך בהרבה מגודלו של גרעין התא, ולכן הוא מקופל ונארז במבנה מורכב שנקרא כרומטין. האופן שבו החומר הגנטי מקופל אינו רק עניין פיזי: הוא משפיע על אילו גנים זמינים להפעלה ואילו נשארים סגורים. כעת פיתחו חוקרים מברצלונה, הונג קונג וגואנגדונג מולקולות פלואורסצנטיות זעירות שמאפשרות לצפות בארגון הזה ברזולוציה גבוהה מאוד גם כשהתא עדיין חי.

המולקולות, שכונו HoT, מבוססות על נגזרת של Hoechst המחוברת לצבען פלואורסצנטי. הן נכנסות לתא, נקשרות לדנ"א ומהבהבות באופן עצמאי בין מצב מואר לכבוי. ההבהוב הוא המפתח: במקום שכל המולקולות יזהרו יחד וייצרו כתם מטושטש, בכל רגע נראות רק מולקולות בודדות. המיקרוסקופ יכול למקם אותן בזו אחר זו ולבנות תמונה מדויקת בהרבה מזו שמתקבלת במיקרוסקופ אור רגיל.

20 ננומטר בתא חי

באמצעות שיטת STORM הצליחו החוקרים להגיע בתאים חיים לרזולוציה של כ-20 ננומטר, סדר גודל קטן בערך פי עשרה מגבול הרזולוציה של מיקרוסקופ אור רגיל. ברזולוציה הזאת כבר ניתן לראות מבנים עדינים בארגון הכרומטין ולעקוב אחר האופן שבו הם משתנים בזמן אמת.

בדגימות מקובעות שילבו החוקרים את הגלאים גם עם שיטת MINFLUX והגיעו לדיוק מיקום של כ-3 ננומטר. לשם השוואה, הקוטר של דו-גדיל דנ"א הוא בערך 2 ננומטר. אין פירוש הדבר שהם "צילמו כל בסיס" בדנ"א, אבל הם התקרבו מאוד לקנה מידה מולקולרי מבחינת מיקום האות הפלואורסצנטי.

היתרון הגדול הוא שהתא נשאר חי

שיטות רבות להדמיית כרומטין ברזולוציה גבוהה מחייבות לקבע את התא, כלומר לעצור את פעילותו ולשמר אותו בנקודת זמן אחת. כך מתקבלת תמונה מפורטת, אך לא ניתן לראות כיצד המבנה משתנה תוך כדי תהליך ביולוגי. המולקולות החדשות נועדו לגשר על הפער הזה ולאפשר לחוקרים לראות כרומטין גם כשהתא ממשיך לפעול.

החוקרים הראו שהשיטה מאפשרת לעקוב אחר תנועת דנ"א ושינויים בארגון הכרומטין, ואף סימנו אזורים גנומיים מסוימים בשילוב שיטות נוספות. הם בדקו את הגלאים גם ברקמות של בעלי חיים, ובהן רקמת עין של דג זברה, כדי להראות שהטכנולוגיה אינה מוגבלת רק לתרביות תאים במעבדה.

הבינה המלאכותית קראה את צורת האריזה

בשלב נוסף שילבו החוקרים את התמונות החדשות עם מערכת בינה מלאכותית בשם AINU, שפיתחו בעבר כדי לזהות דפוסים עדינים בתוך גרעין התא. לאחר שאומנה על התמונות החדשות, המערכת הצליחה להבחין בין תאי עור לתאי גזע בשיעור הצלחה של 96%-98%.

הממצא מעניין משום שלשני סוגי התאים אותו מטען גנטי בסיסי. ההבדל אינו ברצף הדנ"א אלא באופן שבו הוא נארז ומאורגן. הבינה המלאכותית זיהתה דפוסים עדינים בארכיטקטורת הכרומטין שאינם נראים בקלות לעין האנושית, וכך הצליחה לסווג את סוג התא.

בדיקה ראשונית גם ברקמת סרטן

הצוות בדק את השיטה גם בפרוסות רקמה של שלושה חולים בסרטן המעי. ברקמת הגידול נראה הכרומטין פחות דחוס ויותר מפוזר בהשוואה לרקמה הבריאה הסמוכה. התוצאה מתיישבת עם הידוע על כך שתאים סרטניים עוברים שינויים נרחבים בארגון הגנום ובבקרת פעילות הגנים.

עם זאת, זהו שלב ראשוני מאוד. שלושה חולים אינם מאפשרים להעריך רגישות, סגוליות או יכולת אבחונית, והמחקר לא נועד להראות שהשיטה יכולה להחליף פתולוג. המשמעות בשלב זה היא בעיקר הוכחה שניתן להפיק מרקמה אנושית מידע כמותי על אריזת הדנ"א ברזולוציה גבוהה.

השיטה עשויה להיות רלוונטית במיוחד למחקר בסרטן, בתאי גזע וברפואה מתחדשת - תחומים שבהם פועלות בישראל קבוצות מחקר רבות. האפשרות לצפות בארגון הכרומטין כשהתא עדיין חי יכולה לאפשר לעקוב אחר תהליכים שאי אפשר לראות בתמונה קפואה אחת, כמו התמיינות של תא, תגובה לתרופה או שינוי במצב הגנטי של התא לאורך זמן.

בעתיד ניתן לדמיין גם שימוש פתולוגי משלים: לא רק בחינת צורת התא והסמנים המולקולריים שלו, אלא גם ניתוח ממוחשב של האופן שבו הדנ"א ארוז. אם יתברר שגידולים מסוימים משאירים "חתימת אריזה" אופיינית, ייתכן שהמידע הזה יספק שכבה נוספת באבחון או בסיווג מחלות.

עדיין לא בדיקת סרטן

למחקר יש כמה מגבלות שחשוב להדגיש. המולקולות צובעות את כלל הדנ"א ואינן מזהות לבדן גן או רצף מסוים. הרזולוציה הגבוהה ביותר, סביב 3 ננומטר, התקבלה בדגימות מקובעות ולא בתאים חיים, שבהם הרזולוציה הייתה סביב 20 ננומטר. גם נתון ה-96%-98% של הבינה המלאכותית מתייחס להבחנה בין שני סוגי תאים בתנאים ניסויים מוגדרים, ולא לאבחון סרטן.

לפני שימוש קליני יידרשו מחקרים גדולים בהרבה, עם סוגי רקמות וגידולים שונים והשוואה עיוורת לשיטות האבחון המקובלות. בדיקת שלושת חולי סרטן המעי היא בעיקר הוכחת היתכנות לכך שהבדלים באריזת הדנ"א ניתנים לזיהוי ברקמה אנושית, ולא ראיה לכך שכבר פותחה בדיקה המסוגלת לזהות גידולים.