Gadget, ktorý umožňuje DNA sekvenovanie detskej hry

Minion praskne otvorené biotechnológie pre masy spôsobu, akým počítač demokratizoval počítač. Čo urobíme s touto novo objavenou mocou?

Minion (s povolením Oxford Nanopore)

I t je utorok popoludní a Poppy, 12-ročné dievča v New Yorku, stojí pred svojou triedou a vysvetľuje jej rovesníkom, ako je možné čítať kód života tým, že prechádza reťazec DNA cez niečo, čo sa nazýva nanopore. , V rámci programu PlayDNA, ktorý som spoluzaložil, študenti minulý týždeň nakladali uhorky. Zmerali pH kvapaliny v nádobách na nakladanie a z rastúcej oblačnosti videli, že počet bakteriálnych buniek sa zdvojnásobil. A na rozdiel od generácií vedných tried, ktoré mali pred sebou, odobrali vzorky z pohárov, aby identifikovali bakteriálne druhy pomocou ich DNA.

Teraz je čas odhaliť neviditeľný život v ich nakladacích nádobách. Študenti sa zhromažďujú okolo stola a spolu so svojím učiteľom dávajú do malej sekvencera DNA skutočnú vzorku bakteriálnej DNA, ktorá sa jednoducho pripája do USB portu počítača. O pár minút neskôr sa na obrazovke objavia prvé údaje o DNA v reálnom čase.

To je možné na strednej škole kvôli miniatúrnemu sekvenceru DNA nazvanému Minion, ktorý vyrobila spoločnosť Oxford Nanopore Technologies. Toto zariadenie používam takmer dva roky v New York Genome Center, kde skúmam, ako ho použiť na opätovnú identifikáciu vzoriek DNA. Môj poradca, Yaniv Erlich, a ja sme boli prví, ktorí ho implementovali do triedy v Columbia University a teraz je súčasťou nášho programu PlayDNA na miestnych školách. Som presvedčený, že predstavuje míľnik v technológii. Prenosné sekvencovanie DNA umožňuje každému, nielen vedcom, vidieť život vo vyššom rozlíšení, ako dokáže poskytnúť najúžasnejšia kamera - a to aj po tom, čo stvorenie zmizlo. Môžeme rozšíriť svoju víziu, aby sme videli všetky druhy, nielen tie, ktoré sú viditeľné voľným okom.

Minion stojí 1 000 dolárov a je to veľkosť cukrárne. Pripája sa k portu USB prenosného počítača. Aby ste si mohli prečítať vzorku DNA, použite mikropipetu na presunutie „knižnice DNA“ (viac o to za minútu) otvorom v milimetri na Minion. Vo vnútri zariadenia sú nanopóry, ktoré sú umiestnené v membráne len cez miliardtinu metra. Cez tieto nanopóry tečie stály iónový prúd. Pretože každý nukleotid (A, T, C alebo G) má jedinečný molekulárny makeup, každý z nich má trochu odlišný tvar. Jedinečný tvar prechádzajúci cez póry špecifickým spôsobom prerušuje iónový prúd. Rovnako ako môžeme odvodiť tvar analýzou jeho tieňa na stene, môžeme odvodiť nukleotidovú identitu z porúch, ktoré spôsobuje iontovému prúdu. Týmto spôsobom zariadenie prevádza bázy na bity, ktoré prúdia do počítača.

Ilustrácia toho, ako DNA a prúd tečú cez nanoporu. (S láskavým dovolením Oxford Nanopore)

Zatiaľ nie sme schopní priamo naliať do mikrobiologického nálevu šťavu z nálevu. Na prípravu DNA knižnice, ktorá je sekvenovaná, sú potrebné niektoré pokročilé kroky. Najprv musíte roztrhnúť bunky v náleve a vyčistiť ich DNA. Bunky sú rôzne - z biológie si môžete spomenúť, že bunkové steny rastlín vyzerajú na rozdiel od bakteriálnych bunkových stien, ktoré sú na rozdiel od membrán cicavčích buniek - a každý typ bunky vyžaduje svoju vlastnú metódu. Potom musí byť purifikovaná DNA pripravená tak, aby ju Minion skutočne mohol prečítať. Tieto kroky na vytvorenie knižnice DNA si vyžadujú stroje, ktoré ešte nie sú pre používateľov ľahko použiteľné, vrátane mikrocentrifugy a termocyklera (na stránke Demokratizácia odtlačkov prstov DNA môžete vidieť, ako vykonávam túto prípravu knižnice a sekvenovanie DNA na streche v Mesto New York). V budúcnosti sa však tieto kroky vykonajú aj v jednom prenosnom miniatúrnom zariadení.

Tým sa otvorí pole. Ľudia budú môcť používať Minion vo svojich kuchyniach na overenie obsahu svojej hotovej lasagne (skutočne obsahuje hovädzie mäso alebo je to konské mäso?) Alebo ho používať na sledovanie patogénov a alergénov. Oxford Nanopore plánuje ísť ešte o krok ďalej s SmidgION: sekvencerom DNA, ktorý môžete pripojiť k telefónu.

Stále však začíname vidieť, čo budú ľudia robiť s touto technológiou. Vedci využili prenosnosť Minionu na monitorovanie biodiverzity v odľahlých oblastiach, ako sú Antartické McMurdo Dry Valleys. NASA používa zariadenie na monitorovanie zdravotného stavu astronautov vo vesmíre a nakoniec ho môže použiť na vizualizáciu mimozemského života. Úrady v Keni by mohli čoskoro okamžite skontrolovať, či mäso pochádza z nezákonného pytliactva.

V našom laboratóriu v New York Genome Center sme vyvinuli metódu použitia Minionu na miestach činu. Zistili sme, že prenosný sekvencer, ktorý môže priniesť výsledky v priebehu niekoľkých minút, by mohol vyšetrovateľom poskytnúť náskok pri identifikácii obetí alebo podozrivých. Tradičné forenzné metódy môžu trvať dni, niekedy aj týždne. Je to preto, že niekto musí dopraviť vzorky zo zločineckých scén do dobre vybavených laboratórií, kde dôkazy sedí vo fronte a potom sú spustené drahými strojmi.

Nanopore sekvenčné senzory sú doplnkom genomického poľa a je nepravdepodobné, že nahradia tradičnejšie sekvenčné platformy, ako sú platformy, ktoré vyrába líder na trhu Illumina. Tieto platformy na sekvenovanie DNA sú mimoriadne presné, čo ich robí nevyhnutnými na čítanie celého genómu (niekoľkokrát), čo je potrebné na to, aby sme určili, ktoré genetické variácie u ľudí vedú k chorobám.

Takáto práca nie je v súčasnosti silnou stránkou Minion. Miera chybovosti je približne 5 percent, čo znamená, že existuje jedna chyba čítania každých 20 nukleotidov. To je vysoké vzhľadom na to, že rozdiel medzi dvoma jedincami je 0,1 percenta (jedna variácia každých 1 000 nukleotidov). Čítanie z Minionu je však stále dosť dobré na to, aby sme sa mohli zapojiť do algoritmu, ktorý sme vyvinuli pre analýzu miesta činu. Tento algoritmus počíta pravdepodobnosť, že vlasy alebo nejaký iný materiál nájdený na mieste činu zodpovedá jednotlivcovi v špeciálnej policajnej databáze.

Aby ste pochopili, prečo to funguje aj pri vysokej miere chybovosti, predstavte si, že vám dávam meno „Voldamord“, a požiadam vás, aby ste mi povedali, o ktorej knihe hovorím. Možno uznáte, že je to kniha Harryho Pottera, pretože máte v hlave databázu, ktorá bola vytvorená čítaním, aj keď v slove, ktoré vám dávam, existujú preklepy. Nemusíte znova čítať celú 300-stranovú knihu alebo nechať „Voldemort“ prezentovať presne správne. Genomika funguje na rovnakom princípe. Akonáhle budete mať užitočnú databázu, budete potrebovať iba niekoľko informatívnych fragmentov DNA, aby ste zistili, ktoré bakteriálne druhy sú prítomné vo vzorkách morských plodov alebo niekedy dokonca od ktorých osôb DNA pochádza.

Teraz, keď sa obdobie všadeprítomného sekvenovania DNA blíži, musíme zlepšiť genetickú gramotnosť. Ako zvládneme tieto genomické „veľké údaje“? Na riešenie týchto otázok sme s Yanivom Erlichom začali v roku 2015 na katedre počítačovej vedy na Kolumbijskej univerzite triedu s názvom Ubikvitous Genomics. Študenti sekvenovali DNA vlastnými rukami a boli povzbudení, aby vyvinuli výpočtové metódy na analýzu svojich údajov. Úspech tohto úsilia v „integratívnom vzdelávaní“ nás povzbudil, aby sme si mysleli, že by sme mohli urobiť niečo podobné pre zapojenie školákov do genomiky a analýzy údajov. Za týmto účelom sme založili PlayDNA.

Detailný záber na mikropipetu použitú s minionom. (S láskavým dovolením Oxford Nanopore)

Deň pred začiatkom prvej pilotnej triedy PlayDNA som si odobral pár ingrediencií z môjho obeda, ktoré by neskôr skončili vo vzorke záhadnej DNA, ktorú museli študenti identifikovať. PlayDNA poskytuje infraštruktúru pre triedy, aby si nemuseli robiť starosti s extrahovaním DNA a prípravou knižníc DNA, takže študenti môžu okamžite začať sekvenovať DNA a interpretovať svoje údaje. Dvadsať dvanásťročných študentov, ktorí dostali len pár hodín výcviku na mikropipety, sekvencovali DNA nie dve hodiny po príchode do triedy. Prevod biologických informácií v reálnom čase na veľké údaje oživuje subjekt; študenti sa túžili dozvedieť, ktorý druh by sa mohol objaviť v hodnotách DNA, ktoré videli. Ich úlohou na nasledujúci týždeň bolo analyzovať údaje a identifikovať zložky a ich pomery môjho obeda. Určite, nasledujúci týždeň sa jedna skupina opýtala: „Sophie, jedla si paradajkový šalát a nejaké ovčie mäso na obed?“

Je táto technológia pripravená pre váš kuchynský pult? Chcel by som sa chvíľu zdržať. Ešte stále si vyžaduje určité know-how na zvládnutie krokov pred sekvenovaním, ako je rozbitie buniek otvorené a čistenie DNA. Oxford Nanopore však pracuje na spôsoboch automatizácie týchto krokov. Nakoniec môžem predvídať rodinu, v ktorej deti používajú Smidgion na hranie novej verzie Pokémona Go v parku so skutočnými druhmi, zatiaľ čo mama sa pýta otca: „Miláčik, postavil si stôl a urobil si sekvenciu lasagne?“

Sophie Zaaijer je postdoktorandkou v New York Genome Center a generálnym riaditeľom PlayDNA, ktorá vyvíja triedy genomických údajov pre stredné a vysoké školy a vysokoškolské vzdelávanie.