Pripomoček, ki povzroči zaporedje DNK otroške igre

MinION odpira biotehnološko množico tako, kot je računalništvo demokratiziralo računalništvo. Kaj bomo storili s to novo močjo?

Minion (z dovoljenjem Oxforda Nanopore)

V torek sem popoldne in Poppy, 12-letna deklica iz New Yorka, stoji pred svojim razredom in svojim vrstnikom razlaga, kako je mogoče prebrati kodo življenja tako, da se nit DNK prebere skozi nekaj, imenovano nanopore . Študentje so v okviru programa PlayDNA, katerega soustanovitelj sem, že prejšnji teden nabiral kumare. Izmerili so pH tekočine v kozarcih za vložene kumarice in iz vse večje oblačnosti so videli, da se je število bakterijskih celic podvojilo. In za razliko od generacij naravoslovnih predavanj pred njimi so odvzeli vzorce iz kozarcev, da so identificirali bakterijske vrste po njihovi DNK.

Zdaj je čas, da razkrijete nevidno življenje v njihovih kozarcih. Dijaki se zberejo okrog mize in skupaj s svojim učiteljem v majhen sekvence DNK postavijo resnični vzorec bakterijske DNK, ki se preprosto priklopi v USB vrata računalnika. Minuto kasneje se na zaslonu v realnem času pojavijo prvi odčitki DNK.

To je mogoče v srednji šoli zaradi miniaturnega sekvence DNK, imenovane MinION, ki jo je izdelalo podjetje Oxford Nanopore Technologies. To napravo uporabljam že skoraj dve leti v newyorškem genomskem centru, kjer raziskujem, kako jo uporabiti za ponovno identifikacijo vzorcev DNK. Moj svetovalec Yaniv Erlich in jaz sem ga prvi uvedel v učilnico na univerzi Columbia, zdaj pa je del našega programa PlayDNA v lokalnih šolah. Prepričan sem, da predstavlja mejnik v tehnologiji. Prenosno zaporedje DNK omogoča vsakomur, ne le znanstvenikom, da vidi življenje v višji ločljivosti, kot ga lahko nudi najbolj domišljava kamera - in tudi potem, ko bitja ni več. Svojo vizijo lahko razširimo tako, da vidimo vse vrste, ne le tiste, ki so vidne s prostim očesom.

MinION stane 1000 dolarjev in je velikost čokoladice. Poveže se z USB vhodom prenosnega računalnika. Če želite prebrati vzorec DNK, uporabite mikropipeto, da spustite "knjižnico DNK" (več o tem v minuti) skozi milimetrsko odprtino na MinION-u. V notranjosti naprave so nanopore, stožci široki nekaj več kot milijardo metra, nameščeni v membrano. Skozi te nanopore teče enakomerni ionski tok. Ker ima vsak nukleotid (A, T, C ali G) edinstveno molekularno sestavo, je vsak oblikovan nekoliko drugače. Edinstvena oblika, ki prehaja skozi pore, na poseben način prekine ionski tok. Tako kot lahko sklepamo obliko z analizo njene sence na steni, lahko ugotovimo, da je nukleotidna identiteta iz motenj, ki jih povzroča, na ionski tok. Tako naprava pretvori baze v bite, ki se pretakajo v računalnik.

Ponazoritev, kako DNK in tok tečeta skozi nanopore. (Z dovoljenjem Oxford Nanopore)

Še vedno ne moremo neposredno mikropipetirati sok iz kumaric v MinION. Za pripravo knjižnice DNK, ki je sekvencirana, so potrebni nekateri napredni koraki. Najprej morate odpreti celice v soku iz kumaric in očistiti njihovo DNK. Celice so različne - morda se spomnite iz biološkega razreda, da so celice rastlinskih celic v nasprotju s celicami bakterijskih celic, ki so za razliko od membran sesalskih celic - in vsaka vrsta celic zahteva svoj način. Nato je treba očiščeno DNK pripraviti tako, da jo bo Minion dejansko prebral. Ti koraki za ustvarjanje knjižnice DNK zahtevajo stroje, ki še niso uporabniku prijazni za nestrokovnjaka, vključno z mikrocentrifugo in termo ciklom (pri Democratizing DNA Fingerprinting me lahko vidite, kako izvajam to pripravo knjižnice in zaporedje DNK na strehi v New York City). Toda v prihodnosti bodo ti koraki izvedeni tudi v eni sami prenosni miniaturni napravi.

To bo odprlo polje. Ljudje bodo lahko uporabljali MinION v svojih kuhinjah, da preverijo vsebino svoje pripravljene lazanje (ali res vsebuje govedino ali je to konjsko meso?) Ali pa jo uporabljajo za nadzor patogenov in alergenov. Oxford Nanopore celo načrtuje korak naprej s SmidgION: sekvenčnikom DNK, ki ga lahko priključite v telefon.

Ampak šele začnemo gledati, kaj bodo ljudje počeli s to tehnologijo. Znanstveniki so izkoristili prenosljivost MinION za spremljanje biotske raznovrstnosti na oddaljenih območjih, kot so suhe doline McMurdo v Antartici. NASA uporablja napravo za spremljanje zdravstvenega stanja astronavtov v vesolju in bi jo sčasoma lahko uporabila za vizualizacijo nezemeljskega življenja. Organi Kenije lahko kmalu takoj preverijo, ali meso izvira iz nezakonitega lova.

V našem laboratoriju v newyorškem genomskem centru smo razvili metodo za uporabo MinION-a na kraju zločinov. Ugotovili smo, da lahko prenosni sekvencer, ki lahko rezultate da v nekaj minutah, preiskovalcem spodbudi prepoznavanje žrtev ali osumljencev. Tradicionalne forenzične metode lahko trajajo dneve, včasih tudi tedne. To je zato, ker mora nekdo prevažati vzorce s prizorišč zločinov v dobro opremljene laboratorije, kjer se dokazi znajdejo v čakalni vrsti, preden jih zaženejo dragi stroji.

Senzorji sekvenciranja Nanopore so dodatek k genomičnemu polju in verjetno ne bodo nadomestili bolj tradicionalnih platform za zaporedje, kot so tiste, ki jih je ustvaril vodja na trgu Illumina. Te platforme za zaporedje DNK so izjemno natančne, zato so nepogrešljive za branje celotnega genoma (nekajkrat), kar je tisto, kar je potrebno, da recimo določimo, katere genetske variacije pri ljudeh vodijo do bolezni.

Tovrstno delo trenutno ni v prednosti Miniona. Stopnja napake znaša približno 5 odstotkov, kar pomeni, da je vsaka 20 nukleotidov ena napaka branja. To je veliko, če upoštevamo, da je razlika med dvema posameznikoma 0,1 odstotka (ena variacija na vsakih 1000 nukleotidov). Toda odčitki iz MinION-a so še vedno dovolj dobri, da se lahko vključimo v algoritem, ki smo ga razvili za analizo kraja zločinov. Ta algoritem izračuna posebno verjetnost, da se lasje ali kak drug material, ki so ga našli na kraju zločina, ujemajo s posameznikom v posebni policijski bazi podatkov.

Če želite razumeti, zakaj to deluje tudi pri visoki stopnji napak, si predstavljajte, da vam poimenujem "Voldamord" in vas prosim, da mi poveste, na katero knjigo govorim. Morda boste prepoznali, da gre za knjigo o Harryju Potterju, ker imate v glavi bazo podatkov, ki je bila oblikovana z branjem, čeprav so v besedi, ki vam jo dajem, napačne napake. Ni vam treba prebrati celotne knjige na 300 straneh ali pa se vam »Voldemort« predstavi ravno prav. Genomics deluje po istem principu. Ko imate uporabno bazo podatkov, potrebujete le nekaj informativnih fragmentov DNK, s katerimi lahko ugotovite, katere bakterijske vrste so prisotne v vzorcih kumaric ali včasih celo, od katere osebe je DNK prišel.

Zdaj, ko se bliža doba vseprisotnega zaporedja DNK, moramo izboljšati genetsko pismenost. Kako ravnamo s temi genskimi "velikimi podatki"? Za reševanje takšnih vprašanj smo leta 2015 v oddelku za računalništvo na univerzi Columbia Univerza v Columbia začeli pouk z naslovom Vseprisotna genomika. Študente smo poučili o tej vrhunski tehnologiji in jim omogočili, da izkusijo potencial. Študentje so DNK sekvencirali z lastnimi rokami in jih spodbudili, naj razvijejo računske metode za analizo svojih podatkov. Uspeh tega prizadevanja pri »integrativnem učenju« nas je spodbudil k razmišljanju, da bi lahko naredili nekaj podobnega, da bi vključili šolarje v genomiko in analizo podatkov. S tem ciljem smo ustanovili PlayDNA.

Mikropipeta, ki se uporablja pri MinION-u, je blizu. (Z dovoljenjem Oxford Nanopore)

Dan pred začetkom prvega pilotskega razreda PlayDNA sem iz svojega kosila ločil par sestavin, ki bi se kasneje končale v skrivnostnem vzorcu DNK, ki so ga učenci morali prepoznati. PlayDNA ponuja infrastrukturo za učilnice, da se jim ne bi bilo treba ukvarjati s pridobivanjem DNK in pripravami knjižnic DNK, tako da lahko študentje takoj začnejo zaporedje DNK in interpretirajo svoje podatke. Dvanajst dvanajstletnih študentov, ki so dobili le nekaj ur treninga z mikropipeti, je DNK zaporedoma opisal dve uri po prihodu v učilnico. Aktualna pretvorba bioloških informacij v velike podatke poživi zadevo; študenti so želeli vedeti, katere vrste bi lahko opazili pri odčitkih DNK, ki so jih videli. Njihova naloga za naslednji teden je bila analizirati podatke in določiti sestavine in njihova razmerja v mojem kosilu. Seveda je naslednji teden ena skupina vprašala: "Sophie, si za kosilo pojedla paradižnikovo solato in nekaj ovčjega mesa?"

Ali je tehnologija pripravljena za vaš kuhinjski pult? Nekaj ​​časa bi se zadrževal pri ustvarjanju prostora. Še vedno je potrebno nekaj strokovnega znanja za ravnanje po korakih pred zaporedjem, kot je razbijanje celic in čiščenje DNK. Oxford Nanopore pa si prizadeva za avtomatizacijo teh korakov. Na koncu lahko predvidim družino, v kateri otroci uporabljajo SmidgION za igranje nove različice Pokemon Go v parku s pravimi vrstami, mama pa očeta vpraša: "Dragi, ali si postavil mizo in si zaporedil lazanje?"

Sophie Zaaijer je podoktorska sodelavka v newyorškem genomskem centru in izvršna direktorica PlayDNA, ki razvija razrede genomskih podatkov za srednje šole, srednje šole in univerzitetno izobrazbo.