Dve výskumné skupiny v prvej polovici októbra zverejnili svoje výsledky v časopisoch Science a Cell. Jedna skupina sa venovala dvojtýždňovému embryu z oplodneného vajíčka a jeho vývoj bunku po bunke zaznamenala. Druhá sledovala veľkú časť bunkových delení, ku ktorým v embryách dochádza pri tvorbe orgánov.
Obe štúdie inšpiroval prelomový výskum zo začiatku 80. rokov minulého storočia: prvá a dodnes jediná úplná mapa vývoja živočícha. Britský biológ John Sulston iba pomocou mikroskopu pozoroval každú jednu bunku hlístovca Caenorhabditis elegans, kým sa z jediného vajíčka vyvinul dospelý jedinec s presne 959 somatickými, teda úplne diferencovanými bunkami.
Pri väčšine ostatných živočíchov, najmä cicavcov, sa bunková línia takto sledovať nedá, hovorí Jay Shendure, odborník na genomiku z Washingtonskej univerzity, ktorý viedol jeden z nových výskumov. C. elegans je priehľadný a každý jedinec sa vyvíja presne rovnako: tých istých 959 buniek vzniká podľa nemenného vzorca bunkového delenia. Pri cicavcoch, ako sú myši, však vývoj prebieha skryto a počet buniek dosahuje miliardy. O ich osude, napríklad o tom, či napokon skončia v pľúcach alebo v pečeni, rozhodujú aj vonkajšie signály, ako sú rastové faktory.
Podľa Shendura patrí medzi kľúčové otázky biológie to, ako môže táto náhodnosť viesť k vzniku jedincov rovnakého druhu s približne rovnakým tvarom tela. „Dvojčatá vyzerajú rovnako a aj ostatní ľudia sa na seba do veľkej miery podobajú, hoci aj dvojčatá sa vyvíjajú prostredníctvom veľmi odlišných priebehov bunkového delenia,“ hovorí odborník.
Shendure sa touto otázkou začal zaoberať okolo roku 2016, keď so svojou skupinou vyvinul metódu založenú na technológii úpravy génov CRISPR. Do buniek vyvíjajúcich sa danií pruhovaných vnášala „čiarové kódy“, teda úpravy génov na presne určených miestach. Vedci potom sekvenovaním DNA zisťovali, ktoré čiarové kódy sa nachádzajú v jednotlivých bunkách, a z toho odvodzovali ich príbuzenské vzťahy.
Takéto „záznamy o pôvode“ založené na technológii CRISPR však môžu bunky poškodiť, ak sa v nich počas vývoja nahromadí príliš veľa úprav, vysvetľuje Jonathan Weissman, molekulárny biológ z Whiteheadovho inštitútu, ktorý viedol druhú skupinu. Aby sa týmto problémom vyhli, skupiny vedené Shendurom a Weissmanom použili presnejšiu a menej škodlivú techniku nazývanú „prime editing“. Pomocou nej vnášali úpravy do buniek, ktoré sa počas vývoja embrya delili.
Shendurova skupina použila na oplodnené myšie vajíčko techniku nazvanú „písací stroj DNA“, ktorá počas delenia buniek postupne vkladá nezmazateľné genetické značky na určené miesta v genóme. Vajíčko potom implantovali do myši. Po dvoch týždňoch, keď už embryo malo vytvorené hlavné orgánové sústavy, vedci prečítali úpravy vykonané „písacím strojom DNA“. Dokázali tak zrekonštruovať príbuzenské vzťahy medzi 1,3 milióna upravených buniek, ktoré tvorili približne 10 % všetkých buniek embrya.
Weissmanova skupina vyvinula podobnú metódu v geneticky upravených myších embryonálnych kmeňových bunkách. Nazvala ju „PE-tracing“ a pomocou techniky prime editing zaznamenáva jednotlivé bunkové delenia. Vedci analyzovali myšie embryá vytvorené z týchto buniek počas ich vývoja zo zhluku buniek až do štádia, keď sa začínajú tvoriť orgány. V 14 embryách zmapovali príbuzenské vzťahy medzi viac ako 1,4 milióna buniek.
Obe skupiny určili aj identitu buniek v embryách, napríklad či ide o prekurzorové bunky mozgu alebo kostí. Sledovaním transkriptov mRNA zisťovali, ktoré gény sú v bunkách aktívne. Shendurova skupina na základe týchto údajov ukázala, že prvé dve dcérske bunky, ktoré vznikli po prvom rozdelení vajíčka, sa vyvíjali podobne a prispievali k vzniku rovnakých typov buniek. Weissmanova skupina zase zistila, že mozog v každom myšom embryu vzniká len z niekoľkých stoviek nervových prekurzorových buniek. To naznačuje, že vývoj prebieha prekvapivo reprodukovateľným spôsobom, hovorí William Colgan, výpočtový biológ z Whiteheadovho inštitútu a spoluautor štúdie v časopise Cell.
