Sebuah metode baru dapat melacak perubahan ekspresi gen sel hidup selama periode waktu yang lama. Berdasarkan spektroskopi Raman, metode ini tidak membahayakan sel dan dapat dilakukan berulang kali. Kredit: Berita MIT; iStock
Yang baru DENGAN-metode yang dikembangkan menggabungkan spektroskopi Raman dengan pembelajaran mesin untuk melacak ekspresi gen dalam sel secara non-invasif dari waktu ke waktu. Teknik ini memungkinkan studi rinci tentang diferensiasi sel dan memiliki potensi penerapan dalam penelitian kanker, biologi perkembangan, dan diagnostik.
Mengurutkan semua RNA dalam sebuah sel dapat mengungkapkan banyak informasi tentang fungsi sel tersebut dan apa yang dilakukannya pada suatu titik waktu tertentu. Namun, proses pengurutan menghancurkan sel, sehingga sulit untuk mempelajari perubahan ekspresi gen yang sedang berlangsung.
Pendekatan alternatif yang dikembangkan di MIT dapat memungkinkan para peneliti melacak perubahan tersebut dalam jangka waktu yang lama. Metode baru ini, yang didasarkan pada teknik pencitraan non-invasif yang dikenal sebagai spektroskopi Raman, tidak membahayakan sel dan dapat dilakukan berulang kali.
Dengan menggunakan teknik ini, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat memantau sel induk embrio saat mereka berdiferensiasi menjadi beberapa jenis sel lain selama beberapa hari. Teknik ini memungkinkan penelitian proses seluler jangka panjang seperti perkembangan kanker atau perkembangan embrio, dan suatu hari nanti mungkin digunakan untuk diagnosis kanker dan penyakit lainnya.
“Dengan pencitraan Raman, Anda dapat mengukur lebih banyak titik waktu, yang mungkin penting untuk mempelajari biologi kanker, biologi perkembangan, dan sejumlah penyakit degeneratif,” kata Peter So, profesor teknik biologi dan mesin di MIT, direktur MIT’s Pusat Penelitian Biomedis Laser, dan salah satu penulis makalah.
Koseki Kobayashi-Kirschvink, seorang postdoc di MIT dan Broad Institute of Harvard dan MIT, adalah penulis utama studi ini, yang diterbitkan baru-baru ini di jurnal Bioteknologi Alam. Penulis senior makalah ini adalah Tommaso Biancalani, mantan ilmuwan Broad Institute; Jian Shu, asisten profesor di Harvard Medical School dan anggota asosiasi dari Broad Institute; dan Aviv Regev, wakil presiden eksekutif di Genentech Research and Early Development, yang sedang cuti dari posisi pengajar di Broad Institute dan Departemen Biologi MIT.
Ekspresi Gen Pencitraan
Spektroskopi Raman adalah teknik non-invasif yang mengungkap komposisi kimiawi jaringan atau sel dengan menyinari jaringan tersebut dengan sinar inframerah-dekat atau cahaya tampak. Pusat Penelitian Biomedis Laser MIT telah mengerjakan spektroskopi Raman biomedis sejak tahun 1985, dan baru-baru ini, So dan pihak lain di pusat tersebut telah mengembangkan teknik berbasis spektroskopi Raman yang dapat digunakan untuk mendiagnosis kanker payudara atau mengukur glukosa darah.
Namun, spektroskopi Raman sendiri tidak cukup sensitif untuk mendeteksi sinyal sekecil perubahan tingkat molekul RNA individu. Untuk mengukur tingkat RNA, para ilmuwan biasanya menggunakan teknik yang disebut pengurutan RNA sel tunggal, yang dapat mengungkap gen yang aktif dalam berbagai jenis sel dalam sampel jaringan.
Dalam proyek ini, tim MIT berupaya menggabungkan keunggulan sekuensing RNA sel tunggal dan spektroskopi Raman dengan melatih model komputasi untuk menerjemahkan sinyal Raman menjadi status ekspresi RNA.
“Pengurutan RNA memberi Anda informasi yang sangat detail, namun bersifat destruktif. Raman bersifat non-invasif, tetapi tidak memberi tahu Anda apa pun tentang RNA. Jadi, ide dari proyek ini adalah menggunakan pembelajaran mesin untuk menggabungkan kekuatan kedua modalitas, sehingga memungkinkan Anda memahami dinamika profil ekspresi gen pada tingkat sel tunggal dari waktu ke waktu,” kata Kobayashi-Kirschvink.
Untuk menghasilkan data guna melatih model mereka, para peneliti memperlakukan sel fibroblas tikus, sejenis sel kulit, dengan faktor yang memprogram ulang sel tersebut menjadi sel induk berpotensi majemuk. Selama proses ini, sel juga dapat bertransisi menjadi beberapa jenis sel lainnya, termasuk sel saraf dan epitel.
Dengan menggunakan spektroskopi Raman, para peneliti mencitrakan sel-sel pada 36 titik waktu selama 18 hari saat mereka berdiferensiasi. Setelah setiap gambar diambil, para peneliti menganalisis setiap sel menggunakan hibridisasi fluoresensi in situ molekul tunggal (smFISH), yang dapat digunakan untuk memvisualisasikan molekul RNA spesifik di dalam sel. Dalam hal ini, mereka mencari molekul RNA yang mengkode sembilan gen berbeda yang pola ekspresinya bervariasi antar jenis sel.
Data smFISH ini kemudian dapat bertindak sebagai penghubung antara data pencitraan Raman dan data pengurutan RNA sel tunggal. Untuk membuat hubungan tersebut, para peneliti pertama-tama melatih model pembelajaran mendalam untuk memprediksi ekspresi sembilan gen tersebut berdasarkan gambar Raman yang diperoleh dari sel-sel tersebut.
Kemudian, mereka menggunakan program komputasi yang disebut Tangram, yang sebelumnya dikembangkan di Broad Institute, untuk menghubungkan pola ekspresi gen smFISH dengan seluruh profil genom yang mereka peroleh dengan melakukan pengurutan RNA sel tunggal pada sel sampel.
Para peneliti kemudian menggabungkan kedua model komputasi tersebut menjadi satu yang mereka sebut Raman2RNA, yang dapat memprediksi seluruh profil genom sel individu berdasarkan gambar sel Raman.
Melacak Diferensiasi Sel
Para peneliti menguji algoritma Raman2RNA dengan melacak sel induk embrio tikus saat mereka berdiferensiasi menjadi jenis sel yang berbeda. Mereka mengambil gambar sel Raman empat kali sehari selama tiga hari, dan menggunakan model komputasi mereka untuk memprediksi profil ekspresi RNA yang sesuai dari setiap sel, yang mereka konfirmasi dengan membandingkannya dengan pengukuran sekuensing RNA.
Dengan menggunakan pendekatan ini, para peneliti dapat mengamati transisi yang terjadi pada sel-sel individual saat mereka berdiferensiasi dari sel induk embrio menjadi jenis sel yang lebih matang. Mereka juga menunjukkan bahwa mereka dapat melacak perubahan genom yang terjadi ketika fibroblas tikus diprogram ulang menjadi sel induk berpotensi majemuk yang diinduksi, selama periode dua minggu.
“Ini menunjukkan bahwa pencitraan optik memberikan informasi tambahan yang memungkinkan Anda melacak secara langsung garis keturunan sel dan evolusi transkripsinya,” kata So.
Para peneliti sekarang berencana menggunakan teknik ini untuk mempelajari jenis populasi sel lain yang berubah seiring waktu, seperti sel yang menua dan sel kanker. Mereka sekarang bekerja dengan sel yang ditumbuhkan di laboratorium, namun di masa depan, mereka berharap pendekatan ini dapat dikembangkan sebagai diagnostik potensial untuk digunakan pada pasien.
“Salah satu keuntungan terbesar Raman adalah metodenya yang bebas label. Prosesnya masih jauh, namun ada potensi untuk melakukan penerjemahan pada manusia, yang tidak dapat dilakukan dengan menggunakan teknik invasif yang ada untuk mengukur profil genom,” kata Jeon Woong Kang, ilmuwan peneliti MIT yang juga penulis studi tersebut.
Referensi: “Prediksi profil ekspresi RNA sel tunggal dalam sel hidup dengan mikroskop Raman dengan Raman2RNA” oleh Koseki J. Kobayashi-Kirschvink, Charles S. Comiter, Shreya Gaddam, Taylor Joren, Emanuelle I. Grody, Johain R. Ounadjela, Ke Zhang, Baoliang Ge, Jeon Woong Kang, Ramnik J. Xavier, Peter TC So, Tommaso Biancalani, Jian Shu dan Aviv Regev, 10 Januari 2024, Bioteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41587-023-02082-2
Penelitian ini didanai oleh Japan Society for the Promotion of Science Postdoctoral Fellowship for Overseas Peneliti, Naito Foundation Overseas Postdoctoral Fellowship, MathWorks Fellowship, Helen Hay Whitney Foundation, AS Institut Kesehatan NasionalInstitut Pencitraan Biomedis dan Bioteknologi Nasional AS, HubMap, Institut Medis Howard Hughes, dan Observatorium Sel Klarman.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
