Įtaisas, kuris leidžia DNR sekavimo žaidimą vaikui

MinION įtrūkimai atveria biotechnologijas masėms, kaip kompiuteris demokratizavo kompiuterį. Ką mes darysime su šia naujai atrasta jėga?

Minion (maloniai sutikus Oxford Nanopore)

Aš ne antradienio popietę, o Poppy, dvylikametė mergaitė Niujorke, stovi priešais savo klasę ir aiškina savo bendraamžiams, kaip gyvenimo kodą galima perskaityti praleidžiant DNR grandinę per vadinamąjį nanoporą. . Vykdydami „PlayDNA“ programą, kurią sukūriau kartu, studentai praėjusią savaitę skynė agurkus. Jie išmatavo marinatų indeliuose esančio skysčio pH ir iš didėjančio debesuotumo matė, kad bakterijų ląstelių skaičius padvigubėja. Ir priešingai nei prieš tai buvusios mokslo klasių kartos, jie ėmė mėginius iš stiklainių, kad nustatytų bakterijų rūšis pagal jų DNR.

Dabar atėjo laikas atskleisti nematomą gyvenimą jų raugintų stiklainių indeliuose. Studentai susirenka aplink stalą ir kartu su savo mokytoju į mažą DNR seka, kuris tiesiog įkišamas į kompiuterio USB jungtį, įdeda tikrą bakterijų DNR pavyzdį. Po kelių minučių jų ekrane realiuoju laiku pasirodo pirmieji DNR duomenys.

Tai įmanoma vidurinėje mokykloje dėl miniatiūrinio DNR sekos, vadinamo MinION, pagaminto „Oxford Nanopore Technologies“. Jau beveik dvejus metus naudoju šį prietaisą Niujorko genomo centre, kur tyrinėju, kaip jį panaudoti pakartotiniam DNR pavyzdžių identifikavimui. Mano patarėjas Yanivas Erlichas ir aš pirmieji tai įdiegė į Kolumbijos universiteto auditoriją, o dabar tai yra mūsų „PlayDNA“ programos dalis vietinėse mokyklose. Esu įsitikinęs, kad tai yra technologijos etapas. Nešiojamasis DNR seka suteikia bet kam, ne tik mokslininkams, galimybę pamatyti didesnę skiriamąją gebą, nei gali pateikti išmaniausias fotoaparatas - ir net praradus būtybę. Mes galime išplėsti savo viziją, kad pamatytume visas rūšis, ne tik tas, kurios matomos plika akimi.

Minion kainuoja 1 000 USD ir yra saldainių batonėlių dydžio. Jis jungiamas prie nešiojamojo kompiuterio USB prievado. Norėdami, kad jis nuskaitytų DNR mėginį, naudodami mikropipetę išmeskite „DNR biblioteką“ (daugiau apie minutę) per milimetro dydžio miniatiūros angą. Prietaiso viduje yra nanoporos, šiek tiek daugiau nei milijardo metro pločio kūgiai, sudėti į membraną. Per šiuos nanoporus teka pastovi jonų srovė. Kadangi kiekvienas nukleotidas (A, T, C ar G) turi unikalų molekulinį makiažą, kiekvienas jų yra šiek tiek skirtingai suformuotas. Unikali forma, einanti per poras, tam tikru būdu nutraukia jonų srovę. Lygiai taip pat, kaip mes galime daryti išvadą apie formą analizuodami jos šešėlį ant sienos, mes galime nustatyti nukleotido tapatumą nuo trikdžių, kuriuos jis sukelia jonų srovei. Taip įrenginys konvertuoja bazes į bitus, kurie perduodami į kompiuterį.

Iliustracija, kaip DNR ir srovė teka per nanoporą. (Maloniai sutiko Oxford Nanopore)

Mes dar negalime tiesiogiai įpilti mikropipetės marinatų sulčių į Minion. Norint paruošti sekos sudarytą DNR biblioteką, reikia atlikti keletą pažangių žingsnių. Pirmiausia turite nulaužti marinatų sultyse esančias ląsteles ir išvalyti jų DNR. Ląstelės yra skirtingos - iš biologijos klasės galite prisiminti, kad augalų ląstelių sienelės atrodo ne taip, kaip bakterijų ląstelių sienos, kurios skiriasi nuo žinduolių ląstelių membranų, ir kiekviena ląstelių rūšis reikalauja savo metodo. Tuomet išgrynintą DNR reikia paruošti taip, kad Minionas iš tikrųjų galėtų ją perskaityti. Atliekant šiuos DNR bibliotekos sukūrimo veiksmus, reikia mašinų, kurios dar nėra patogios naudoti nespecialistams, įskaitant mikrocentrifugą ir termociklerį (Demokratizuojančio DNR pirštų atspaudų metu galite pamatyti, kaip aš atlieku šios bibliotekos paruošimą ir DNR seką ant stogo. Niujorkas). Bet ateityje šie veiksmai taip pat bus daromi viename nešiojamame miniatiūriniame įrenginyje.

Tai atvers lauką. Žmonės galės naudoti MINION savo virtuvėse norėdami patikrinti paruoštos lazanijos turinį (ar joje tikrai yra jautienos, ar tai yra arklienos mėsa?) Arba naudoti ją patogenų ir alergenų stebėjimui. „Oxford Nanopore“ net planuoja žengti dar vieną žingsnį į priekį su „SmidgION“: DNR sekos, kurią galite prijungti prie savo telefono.

Bet mes vis dar tik pradedame suprasti, ką žmonės darys su šia technologija. Mokslininkai pasinaudojo „Minion“ perkeliamumu stebėdami biologinę įvairovę atokiose vietose, tokiose kaip Antartica „McMurdo“ sausieji slėniai. NASA naudoja prietaisą astronautų sveikatos būklei kosmose stebėti ir galų gale gali naudoti jį vizualizuodama nežemišką gyvenimą. Kenijos valdžia gali greitai iš karto patikrinti, ar mėsa gauta iš nelegalaus brakonieriavimo.

Niujorko genomo centro laboratorijoje sukūrėme metodą, kaip naudoti Minion nusikaltimo vietose. Mes supratome, kad nešiojamasis seka, kuris gali pateikti rezultatus per kelias minutes, galėtų suteikti tyrėjams galimybę pradėti nustatyti aukas ar įtariamuosius. Tradiciniai teismo medicinos metodai gali trukti dienas, kartais savaites. Taip yra todėl, kad kažkas turi gabenti mėginius iš nusikaltimų vietų į gerai įrengtas laboratorijas, kur įrodymai sėda į eilę prieš važiuojant nors brangiomis mašinomis.

„Nanopore“ sekos davikliai yra genomikos srities priedas ir vargu ar pakeis tradicines sekos nustatymo platformas, tokias kaip rinkos lyderės Iliuminos sukurtos. Tos DNR sekos nustatymo platformos yra ypač tikslios, todėl jos yra būtinos norint nuskaityti visą genomą (porą kartų), o tai yra reikalinga, tarkime, norint nustatyti, kurie žmonių genetiniai variantai sukelia ligas.

Šiuo metu toks darbas nėra Minion stiprybė. Jo klaidų lygis yra maždaug 5 procentai, o tai reiškia, kad kiekviename 20 nukleotidų yra viena skaitymo paklaida. Tai didelis, atsižvelgiant į tai, kad skirtumas tarp dviejų asmenų yra 0,1 procento (vienas variantas kas 1000 nukleotidų). Tačiau „MINION“ rodmenys vis dar yra pakankamai geri, kad būtų įtrauktas į algoritmą, kurį sukūrėme nusikaltimo vietos analizei. Šis algoritmas apskaičiuoja tikimybę, kad plaukai ar kita medžiaga, rasta nusikaltimo vietoje, sutampa su asmeniu specialioje policijos duomenų bazėje.

Kad suprastumėte, kodėl tai veikia net ir esant dideliam klaidų lygiui, įsivaizduokite, kad aš jums suteikiu vardą „Voldamord“, ir paprašau jūsų pasakyti, apie kurią knygą aš kalbu. Galite pripažinti, kad tai Hario Poterio knyga, nes jūsų galvoje yra duomenų bazė, kuri buvo suformuota skaitant, nors žodyje, kurį aš tau suteikiu, yra klaidų. Nereikia perskaityti visos 300 puslapių knygos ar „Voldemort“ pateikti tiksliai. Genomika veikia tuo pačiu principu. Kai turite naudingą duomenų bazę, jums reikia tik keleto informatyvių DNR fragmentų, kad nustatytumėte, kurios bakterijų rūšys yra marinatų mėginiuose ar kartais net iš to asmens, iš kurio DNR atsirado.

Dabar, kai visuotinės DNR sekos sudarymo era artėja, turime tobulinti genetinį raštingumą. Kaip mes tvarkome šiuos genominius „didelius duomenis“? Norėdami išspręsti tokius klausimus, Yanivas Erlichas ir aš 2015 m. Kolumbijos universiteto informatikos katedroje pradėjome klasę pavadinimu „Visuotinė genomika“. Mes išmokėme studentus apie šią pažangiausią technologiją ir pritraukėme juos į patirtį. Studentai sekvendavo DNR savo rankomis ir buvo skatinami kurti skaičiavimo metodus savo duomenims analizuoti. Šių „integracinio mokymosi“ sėkmė paskatino mus galvoti, ar galime padaryti kažką panašaus, kad sudomintume moksleivius genomika ir duomenų analize. Tuo tikslu įkūrėme „PlayDNA“.

Mikropipetės, naudojamos kartu su MINION, vaizdas. (Maloniai sutiko Oxford Nanopore)

Dieną prieš pirmosios „PlayDNA“ bandomosios klasės pradžią iš savo pietų išskiriau keletą ingredientų, kurie vėliau pateks į paslaptingą DNR mėginį, kurį mokiniai turėjo identifikuoti. „PlayDNA“ suteikia infrastruktūrą klasėms, kad nereikėtų nerimauti dėl DNR išgavimo ir DNR bibliotekų paruošimo, todėl mokiniai gali iškart pradėti sekti DNR ir aiškinti savo duomenis. Dvidešimt dvylikos metų mokinių, kuriems buvo išmoktos tik poros valandų mikropipetės, DNR buvo seka ne praėjus dviem valandoms po atvykimo į klasę. Biologinės informacijos pavertimas dideliais duomenimis realiu laiku pagyvina subjektą; mokiniai norėjo žinoti, kurias rūšis galima pastebėti jų matytuose DNR rodmenyse. Jų užduotis sekančiai savaitei buvo išanalizuoti duomenis ir nustatyti mano pietų sudedamąsias dalis ir jų santykį. Tikrai, kitą savaitę viena grupė paklausė: „Sophie, ar pietums valgai pomidorų salotas ir šiek tiek avienos?“

Ar technologija paruošta jūsų virtuvės stalviršiui? Kurį laiką užimsiu erdvę. Prieš atliekant seką, reikia dar tam tikrų žinių, kaip atlikti veiksmus, pavyzdžiui, sulaužyti ląsteles ir išvalyti DNR. Tačiau Oksfordo „Nanopore“ taip pat ieško būdų, kaip automatizuoti šiuos veiksmus. Galų gale galiu numatyti šeimą, kurioje vaikai naudojasi „SmidgION“, norėdami žaisti naują „Pokemon Go“ versiją parke su tikromis rūšimis, o mama klausia tėčio: „Mielasis, ar jūs nustatėte stalą ir ar sekėte lazaniją?“

Sophie Zaaijer yra doktorantė Niujorko genomo centre ir „PlayDNA“, kuriančios genomikos duomenų klases vidurinėms mokykloms, aukštosioms mokykloms ir universitetinėms mokykloms, generalinė direktorė.