Гадгет који ствара ДНК секвенцирање дечије игре

МинИОН пушта отворене биотехничке масе на начин на који је ПЦ демократизовао рачунарство. Шта ћемо учинити са овом новонађеном снагом?

МинИОН (љубазношћу Окфорда Нанопоре)

У уторак поподне сам Поппи, дванаестогодишња девојчица из Њујорка, стоји испред своје класе и објашњава својим вршњацима како се животни код може очитати пролазећи низом ДНК кроз нешто што се назива нанопоре . Као део ПлаиДНА-е, једног од оснивача програма, студенти су бели краставце последњих недељу дана. Измерили су пХ течности у стакленкама киселих краставаца и из све веће облачности видели да се број бактеријских ћелија удвостручује. А за разлику од генерација научних предавања пре њих, они су узимали узорке из тегли како би идентификовали бактеријске врсте по њиховом ДНК.

Сада је време да откријемо невидљиви живот у њиховим теглама. Ученици се окупљају око стола и заједно са својим наставником стављају прави узорак бактеријске ДНК у малени ДНК секвенце, који се једноставно прикључује у УСБ порт рачунара. Минут касније, први очитања ДНК се појављују у стварном времену на њиховом екрану.

Ово је могуће у средњој школи због минијатурног секвенцера ДНК, названог МинИОН, који је направила компанија Окфорд Нанопоре Тецхнологиес. Користим овај уређај готово две године у Њујоршком геном центру, где истражујем како да га употребим за поновну идентификацију ДНК узорака. Мој саветник, Ианив Ерлицх, и ја смо били први који су га имплементирали у учионицу на Универзитету Цолумбиа, а сада је део нашег ПлаиДНА програма у локалним школама. Уверен сам да представља прекретницу у технологији. Преносно ДНК секвенцирање омогућава свакоме, а не само научницима, да виде живот у већој резолуцији него што то може дати најмодернија камера - па чак и након што једно биће нестане. Ми можемо проширити своју визију тако да видимо све врсте, не само оне које су видљиве голим оком.

МинИОН кошта 1.000 долара и величина је чоколаде. Повезује се на УСБ порт лаптоп рачунара. Да бисте прочитали ДНК узорак, помоћу микропипете испустите „ДНК библиотеку“ (о томе у минуту) кроз отвор величине милиметра на МинИОН-у. Унутар уређаја су нанопоре, стожци ширине нешто више од миља метра, смјештени у мембрану. Кроз ове нанопоре тече стална јонска струја. Пошто сваки нуклеотид (А, Т, Ц или Г) има јединствен молекулски састав, сваки је обликован мало другачије. Јединствени облик који пролази кроз поре на посебан начин прекида јонску струју. Баш као што можемо да закључимо облик анализом његове сенке на зиду, тако можемо да закључимо и нуклеотидни идентитет из поремећаја које он изазива на јонску струју. На овај начин уређај претвара базе у битове који путују у рачунар.

Илустрација како ДНК и струја теку кроз нанопоре. (Љубазношћу Окфорда Нанопоре)

Још нисмо у могућности да микропипетом сок из киселих краставаца директно уђемо у МинИОН. Потребни су неки напредни кораци да се припреми ДНК библиотека која је секвенцирана. Прво морате да отворите ћелије у соку од киселих краставаца и прочистите њихову ДНК. Све ћелије су различите - можете се сетити из биолошке класе да ћелијске зидове биљака изгледају за разлику од бактеријских ћелијских зидова, за разлику од мембрана ћелија сисара - и сваки тип ћелије захтева свој метод. Затим, пречишћену ДНК треба припремити на такав начин да је МинИОН заиста може ишчитати. Ови кораци за стварање ДНК библиотеке захтевају машине које још нису прилагођене корисницима за неспецијалисте, укључујући микроцентрифугу и термоцикл (на месту Демократизација ДНК отиска можете видети како обављам ову припрему библиотеке и секвенцирање ДНК на крову у Нев Иорк Цити). Али у будућности ће се ови кораци изводити и у једном преносном минијатурном уређају.

Ово ће отворити поље. Људи ће моћи да користе МинИОН у својим кухињама да провере садржај готове лазање (да ли заиста садржи говедину или је то коњско месо?) Или да је користе за надзор патогена и алергена. Окфорд Нанопоре чак планира да направи и корак даље помоћу СмидгИОН: ​​ДНК секвенцера коју можете прикључити у свој телефон.

Али ми тек почињемо да видимо шта ће људи радити са овом технологијом. Научници су искористили МинИОН преносивост за праћење биолошке разноликости у удаљеним подручјима као што су сухе долине МцМурдоа из Антартице. НАСА користи уређај за надгледање здравственог стања астронаута у свемиру и евентуално би га могла користити за визуелизацију ванземаљског живота. Власти у Кенији ускоро би могле одмах да провере да ли месо потиче од илегалног криволова.

У нашој лабораторији у Њујоршком геном центру развили смо метод за коришћење МинИОН-а на месту злочина. Сматрали смо да преносиви секвенцера, који може дати резултате за неколико минута, може истражитељима покренути поступак идентификације жртава или осумњичених. Традиционалне форензичке методе могу трајати данима, понекад и недељама. То је зато што неко мора да превози узорке са места злочина у добро опремљене лабораторије, где се докази налазе у реду пре него што се покрећу скупе машине.

Нанопоре сензори за секвенцирање су додатак геномичком пољу и мало је вероватно да ће заменити традиционалније платформе за секвенцирање, попут оних које производи лидер на тржишту, Иллумина. Те платформе за секвенцирање ДНК су изузетно прецизне, чине их неопходним за читање читавог генома (неколико пута), што је потребно да би се, рецимо, утврдило које генетске варијације људи доводе до болести.

Такав рад тренутно није снага Миниона. Стопа грешке износи отприлике 5 процената, што значи да постоји једна грешка читања на сваких 20 нуклеотида. То је високо с обзиром на то да је разлика између две јединке 0,1 процента (једна варијација на сваких 1.000 нуклеотида). Али очитавање из МинИОН-а је још увек довољно добро да се укључи у алгоритам који смо развили за анализу места злочина. Овај алгоритам израчунава вероватноћу да коса или неки други материјал пронађен на месту злочина одговарају појединцу у посебној полицијској бази података.

Да бисте разумели зашто ово функционише чак и са великом стопом грешке, замислите да вам дам име „Волдаморд“ и замолите вас да ми кажете о којој књизи говорим. Могли бисте препознати да је то књига о Харрију Потеру јер у глави имате базу података која је формирана током читања, иако постоје речи погрешака при упису у реч коју вам дајем. Не морате поново да читате књигу на 300 страница или да вам „Волдеморт“ буде представљен тачно. Геномицс делује по истом принципу. Једном када имате корисну базу података, потребни су вам само неки информативни фрагменти ДНК да бисте идентификовали које су бактеријске врсте присутне у узорцима киселих краставаца или понекад чак и од које особе је ДНК потекла.

Сада када се ера свеприсутног секвенце ДНК ближи, морамо побољшати генетску писменост. Како се носимо са геномским „великим подацима“? Да бисмо се позабавили таквим питањима, Ианив Ерлицх и ја покренули смо час под називом Свеприсутна геномика на одељењу за рачунарске науке на Универзитету Цолумбиа у 2015. години. Учили смо студенте о овој врхунској технологији и натерали их да искусе потенцијал. Студенти су секвенционирали ДНК сопственим рукама и били су подстакнути да развијају рачунске методе за анализу својих података. Успех овог напора у „интегративном учењу“ подстакао нас је да мислимо да можемо учинити нешто слично да укључимо школарце у геномику и анализу података. С тим циљем смо основали ПлаиДНА.

Читав је микропипет коришћен са МинИОН-ом. (Љубазношћу Окфорда Нанопоре)

Дан пре почетка прве пилотске класе ПлаиДНА издвојио сам неколико састојака из ручка који ће се касније завршити у мистериозном ДНК узорку који су студенти морали да идентификују. ПлаиДНА пружа инфраструктуру учионицама како не би морали бринути о вађењу ДНК и припреми ДНК библиотека, тако да студенти могу одмах почети секвенцирати ДНК и интерпретирати њихове податке. Двадесет дванаестогодишњака, који су прошли само неколико сати обуке за микропипете, пратили су ДНК два сата након што су стигли у учионицу. Претварање биолошких информација у стварном времену у велике податке оживљава предмет; студенти су жељно сазнали које врсте се могу уочити у очитавању ДНК које су видели. Њихов задатак за следећу недељу био је да анализирају податке и идентификују састојке и њихов омјер мог ручка. Свакако, следеће недеље једна група је питала: „Сопхие, јеси ли јела салату од парадајза и нешто овчјег меса за ручак?“

Да ли је технологија спремна за ваш кухињски пулт? Не бих задржао време да направим простор. Још је потребно неко знање како да се поступају пре корака пре него што је започето, попут отварања ћелија и прочишћавања ДНК. Међутим, Окфорд Нанопоре ради на начинима да аутоматизује ове кораке. На крају могу да предвидим породицу у којој деца користе СмидгИОН да се играју новом верзијом Покемон Го-а у парку са правим врстама, док мама пита тату: „Драга, јеси ли поставила сто и да ли си запоредила лазање?“

Сопхие Зааијер је постдокторска сарадница у Њујоршком геном центру и извршна директорица компаније ПлаиДНА, која развија часове геномских података за средње школе, средње школе и универзитетско образовање.