Sīkrīks, kas padara DNS sekvencējošu bērnu spēli

MinION plaisas atver biotehnoloģiju masām, kā PC demokratizēja skaitļošanu. Ko mēs darīsim ar šo jaunatklāto spēku?

Minion (Oksfordas Nanopores pieklājība)

I t ir otrdienas pēcpusdiena, un Magoņa, 12 gadus veca meitene Ņujorkā, stāv savas klases priekšā un saviem vienaudžiem izskaidro, kā dzīves kodu var nolasīt, izlaižot DNS virkni caur kaut ko, ko sauc par nanoporu . Kā kopīgi dibinātās programmas PlayDNA daļa studenti pēdējo nedēļu ir kodinājuši gurķus. Viņi ir izmērījuši šķidruma pH marinādes burkās un pēc pieaugošā duļķainības redzējuši, ka baktēriju šūnu skaits dubultojas. Un atšķirībā no paaudzes zinātnes stundām, kas bija pirms tām, viņi ir paņēmuši paraugus no burciņām, lai noteiktu baktēriju sugas pēc to DNS.

Ir pienācis laiks atklāt neredzamo dzīvi viņu sālījumu burkās. Studenti pulcējas ap galdu un kopā ar skolotāju nelielā DNS sekvencerī ievieto īstu baktēriju DNS paraugu, kuru vienkārši iesprauž datora USB portā. Pēc minūtēm viņu ekrānā reālā laikā parādās pirmie DNS rādījumi.

Vidusskolā tas ir iespējams, pateicoties miniatūram DNS sekvenceram, ko sauc par MinION un kuru izgatavoja Oxford Nanopore Technologies. Es gandrīz divus gadus izmantoju šo ierīci Ņujorkas genoma centrā, kur es pētīju, kā to izmantot DNS paraugu atkārtotai identificēšanai. Mans konsultants Yaniv Erlich un es bijām pirmie, kas to ieviesa Kolumbijas universitātes klasē, un tagad tas ir mūsu PlayDNA programmas daļa vietējās skolās. Esmu pārliecināts, ka tas ir pagrieziena punkts tehnoloģijās. Pārnēsājamā DNS sekvencēšana dod iespēju ikvienam, ne tikai zinātniekiem, redzēt dzīvi ar augstāku izšķirtspēju, nekā spēj nodrošināt fantastiskākā kamera - un pat pēc radības pazušanas. Mēs varam paplašināt redzējumu, lai redzētu visas sugas, ne tikai tās, kas ir redzamas ar neapbruņotu aci.

MinION maksā USD 1000 un ir konfekšu bāra izmērs. Tas tiek savienots ar klēpjdatora USB portu. Lai tas nolasītu DNS paraugu, jūs izmantojat mikropipetīti, lai “Minimālās bibliotēkas” milimetru lielumā atdotu “DNS bibliotēku” (vairāk par to minūtē). Ierīces iekšpusē ir nanoporas, nedaudz vairāk par miljardu metru plati konusi, kas ievietoti membrānā. Caur šīm nanoporām plūst vienmērīga jonu strāva. Tā kā katram nukleotīdam (A, T, C vai G) ir unikāls molekulārais sastāvs, katrs no tiem ir veidots nedaudz savādāk. Unikālā forma, kas iet caur porām, noteiktā veidā pārtrauc jonu strāvu. Tāpat kā mēs varam secināt formu, analizējot tās ēnu uz sienas, mēs varam secināt nukleotīda identitāti no traucējumiem, ko tas rada jonu strāvai. Tādējādi ierīce pārveido bāzes par bitiem, kas straumē datorā.

Ilustrācija, kā DNS un strāva plūst caur nanoporu. (Ar Oksfordas Nanoporas atļauju)

Mēs vēl nevaram tieši iesmidzināt sālījuma sulu ar mikropipeti Minion. Lai sagatavotu secīgu DNS bibliotēku, ir jāveic daži sarežģīti pasākumi. Vispirms jums kreka atveriet šūnas marinādes sulā un jāattīra to DNS. Visas šūnas ir atšķirīgas - no bioloģijas klases jūs varat atcerēties, ka augu šūnu sienas izskatās atšķirīgi no baktēriju šūnu sienām, kas ir atšķirībā no zīdītāju šūnu membrānām - un katram šūnu veidam ir nepieciešama sava metode. Pēc tam attīrītā DNS jāsagatavo tā, lai Minions to faktiski varētu nolasīt. Šīm darbībām, lai izveidotu DNS bibliotēku, ir vajadzīgas mašīnas, kuras vēl nav lietotājam draudzīgas nespecializētajiem, ieskaitot mikrocentrifūgu un termociklisku (Demonstrējot DNS pirkstu nospiedumus, jūs varat redzēt, kā es veicu šīs bibliotēkas sagatavošanu un DNS secību uz jumta Ņujorka). Bet nākotnē šīs darbības tiks veiktas arī vienā, pārnēsājamā miniatūrā ierīcē.

Tas pavērs lauku. Cilvēki varēs izmantot MinION savās virtuvēs, lai pārbaudītu gatavās lazanjas saturu (vai tā tiešām satur liellopu gaļu vai tā ir zirgu gaļa?) Vai izmantotu to patogēnu un alergēnu uzraudzībai. Oksfordas Nanopore pat plāno iet vienu soli tālāk ar SmidgION: DNS sekvenceru, kuru varat pievienot tālrunim.

Bet mēs joprojām tikai sākam redzēt, ko cilvēki darīs ar šo tehnoloģiju. Zinātnieki ir izmantojuši MinION pārnesamības iespējas, lai novērotu bioloģisko daudzveidību attālos apgabalos, piemēram, Antartica McMurdo sausajās ielejās. NASA izmanto ierīci, lai uzraudzītu astronautu veselības stāvokli kosmosā, un galu galā to varētu izmantot, lai vizualizētu ārpuszemes dzīvi. Kenijas varas iestādes drīz varētu nekavējoties pārbaudīt, vai gaļa nāk no nelikumīgas malumedniecības.

Ņujorkas genoma centra laboratorijā mēs izstrādājām metodi Minion izmantošanai nozieguma vietās. Mēs sapratām, ka pārnēsājams sekvenceris, kas rezultātus var iegūt dažu minūšu laikā, varētu dot izmeklētājiem iespēju sākt cietušo vai aizdomās turamo identificēšanu. Tradicionālās kriminālistikas metodes var ilgt dienas, dažreiz nedēļas. Tas ir tāpēc, ka kādam ir jāpārved paraugi no nozieguma vietas uz labi aprīkotām laboratorijām, kur pierādījumi atrodas rindā, pirms tos palaida, lai arī dārgas mašīnas.

Nanopore sekvencēšanas sensori ir papildinājums genomikas laukam, un maz ticams, ka tie aizstās tradicionālās sekvencēšanas platformas, piemēram, tādas, kuras ražo tirgus līderis Illumina. Šīs DNS sekvencēšanas platformas ir ārkārtīgi precīzas, padarot tās neaizstājamas visa genoma (pāris reizes) nolasīšanai, kas ir tas, kas ir nepieciešams, lai, teiksim, noteiktu, kuras cilvēku ģenētiskās variācijas noved pie slimībām.

Šāda veida darbs pašlaik nav Minion spēks. Tā kļūdu līmenis ir aptuveni 5 procenti, kas nozīmē, ka katrā 20 nukleotīdā ir viena lasīšanas kļūda. Tas ir liels, ņemot vērā, ka atšķirība starp diviem indivīdiem ir 0,1 procents (viena variācija uz katriem 1000 nukleotīdiem). Bet MINION rādījums joprojām ir pietiekami labs, lai iekļautos algoritmā, kuru mēs izstrādājām nozieguma vietas analīzei. Šis algoritms aprēķina varbūtību, ka mati vai kāds cits nozieguma vietā atrasts materiāls sakrīt ar personu īpašā policijas datu bāzē.

Lai saprastu, kāpēc tas darbojas pat ar augstu kļūdu līmeni, iedomājieties, ka es jums dodu vārdu “Voldamord”, un lūdzu, pastāstiet man, uz kuru grāmatu es atsaucos. Jūs varētu atzīt, ka tā ir Harija Potera grāmata, jo jums galvā ir datu bāze, kas ir izveidojusies lasot, kaut arī manā vārdā jums ir typos. Jums nav nepieciešams atkārtoti lasīt visu 300 lappušu grāmatu vai saņemt “Voldemort” precīzi noformētu. Genomika darbojas pēc tāda paša principa. Kad jums ir noderīga datu bāze, jums ir nepieciešami tikai daži informatīvi DNS fragmenti, lai identificētu, kuras baktēriju sugas atrodas marinētu paraugos vai dažreiz pat no tā, kuras personas DNS ir nākusi.

Tagad, kad visuresošo DNS sekvencēšanas laikmets tuvojas, mums jāuzlabo ģenētiskā kompetence. Kā mēs rīkojamies ar šiem genomiskajiem “lielajiem datiem”? Lai atbildētu uz šādiem jautājumiem, Yaniv Erlich un es 2015. gadā Kolumbijas universitātes datorzinātņu nodaļā uzsācām klasi ar nosaukumu Ubiquitous Genomics. Mēs iemācījām studentus par šo progresīvāko tehnoloģiju un ieguvām viņiem iespēju izjust potenciālu. Studenti secēja DNS ar savām rokām, un viņi tika mudināti izstrādāt skaitļošanas metodes, lai analizētu savus datus. Šo centienu panākumi “integratīvā mācībā” pamudināja mūs domāt, ka mēs varētu darīt kaut ko līdzīgu, lai iesaistītu skolēnus genomikā un datu analīzē. Ar šo mērķi mēs nodibinājām PlayDNA.

Kopā ar MinION izmantotās mikropipetes tuvplāns. (Ar Oksfordas Nanoporas atļauju)

Dienu pirms pirmās PlayDNA izmēģinājuma klases sākuma es no pusdienām izdalīju pāris sastāvdaļas, kuras vēlāk nonāks noslēpumainā DNS paraugā, kas studentiem bija jāidentificē. PlayDNA nodrošina klases telpu infrastruktūru, lai nebūtu jāuztraucas par DNS iegūšanu un DNS bibliotēku sagatavošanu, tāpēc skolēni var sākt DNS secību uzreiz un interpretēt savus datus. Divdesmit 12 gadus veci studenti, kuri ieguva tikai dažas stundas ilgu mikropipetes apmācību, DNS sekvencēja nevis divas stundas pēc ierašanās klasē. Bioloģiskās informācijas pārvēršana reālā laikā lielos datos subjektu uzmundrina; studenti ļoti vēlējās zināt, kuras sugas var tikt pamanītas redzamajos DNS rādījumos. Viņu uzdevums nākamajai nedēļai bija analizēt datus un noteikt manas pusdienas sastāvdaļas un to attiecību. Protams, nākamajā nedēļā viena grupa jautāja: "Sofij, vai tu pusdienās ēdīji tomātu salātus un kādu aitas gaļu?"

Vai tehnoloģija ir gatava jūsu virtuves letei? Es kādu laiku kavēšos ar vietas izveidošanu. Joprojām ir vajadzīga zināšana, kā rīkoties pirms secības noteikšanas, piemēram, šūnu atvēršana un DNS attīrīšana. Tomēr Oksfordas Nanopore strādā pie veidiem, kā automatizēt arī šos soļus. Galu galā es varu paredzēt ģimeni, kurā bērni izmanto SmidgION, lai spēlētu jauno Pokemon Go versiju parkā ar īstām sugām, savukārt mamma tētim jautā: “Dārgais, vai tu uzstādīji galdu un vai tu seriāli lazanju?”

Sophie Zaaijer ir pēcdoktorantūras biedre Ņujorkas genoma centrā un PlayDNA izpilddirektore, kas izstrādā genomu datu klases vidusskolām, vidusskolām un universitātes izglītībai.