Притурката, която прави ДНК секвенсиране на детска игра

MinION пуска отворени биотехнологии за масите по начина, по който компютърът демократизира изчисленията. Какво ще правим с тази нова сила?

Министерството (любезно предоставено от Оксфорд Нанопоре)

Аз съм следобед във вторник и Попи, 12-годишно момиче в Ню Йорк, застава пред класа си и обяснява на връстниците си как кодът на живота може да бъде прочетен, като премине ДНК верига през нещо, наречено нанопор , Като част от PlayDNA, програма, която съосновах аз, студентите берат краставици през последната седмица. Измервали са рН на течността в бурканите за кисели краставички и от нарастващата облачност видяха, че броят на бактериалните клетки се удвоява. И за разлика от поколения научни часове преди тях, те взеха проби от бурканите, за да идентифицират бактериалните видове по своята ДНК.

Сега е време да разкрием невидимия живот в техните буркани за туршия. Учениците се събират около масата и заедно с учителя си поставят истинска бактериална ДНК проба в миниатюрен секвенсор на ДНК, който просто се включва в USB порта на компютъра. Минути по-късно първите показания на ДНК се появяват в реално време на екрана им.

Това е възможно в средното училище поради миниатюрния ДНК секвенсор, наречен MinION, направен от Oxford Nanopore Technologies. Използвам това устройство от близо две години в Нюйоркския геномен център, където изследвам как да го използвам за повторна идентификация на ДНК проби. Моят съветник Янив Ерлих и аз бяхме първият, който го внедри в класната стая на университета в Колумбия, а сега това е част от нашата програма на PlayDNA в местните училища. Убеден съм, че той представлява крайъгълен камък в технологиите. Преносимото ДНК секвенсиране дава възможност на всеки, не само учени, да виждат живота с по-висока разделителна способност, отколкото най-фантазийната камера може да осигури - и дори след като същество си отиде. Можем да разширим зрението си, за да видим всички видове, а не само тези, които се виждат с просто око.

MinION струва 1000 долара и е с размер на бонбони. Свързва се към USB порта на лаптоп компютър. За да го прочетете ДНК проба, използвате микропипета, за да изпуснете „библиотека на ДНК“ (повече за тази минута) през отвор с размер милиметър на MinION. Вътре в устройството са нанопори, шишарки, малко над милиард от метър, поставени в мембрана. През тези нанопори тече постоянен йонен ток. Тъй като всеки нуклеотид (A, T, C или G) има уникален молекулен състав, всеки от тях е оформен малко по-различно. Уникалната форма, преминаваща през порите, прекъсва йонния ток по специфичен начин. Точно както можем да изведем форма, като анализираме нейната сянка на стена, така можем да изведем идентичността на нуклеотида от смущения, които причинява към йонния ток. Това е начинът, по който устройството преобразува бази в битове, които се предават в компютър.

Илюстрация как ДНК и ток протичат през нанопора. (С любезното съдействие на Оксфорд Нанопоре)

Все още не сме в състояние да направим микропипета сок от туршия в MinION. Необходими са някои напреднали стъпки за подготовка на ДНК библиотеката, която е секвенирана. Първо трябва да отпуснете клетките в сока от туршия и да пречистите ДНК. Всички клетки са различни - може би си спомняте от клас по биология, че клетъчните стени на растенията изглеждат за разлика от бактериалните клетъчни стени, които са за разлика от мембраните на клетките на бозайниците - и всеки тип клетки изисква свой собствен метод. След това, пречистената ДНК трябва да бъде подготвена по такъв начин, че МИОНЪТ действително да я прочете. Тези стъпки за създаване на ДНК библиотеката изискват машини, които все още не са удобни за потребителя за неспециалист, включително микроцентрифуга и термоциклер (при Демократизиране на ДНК отпечатък можете да ме видите как изпълнявам тази подготовка на библиотека и секвенциране на ДНК на покрива в Ню Йорк). Но в бъдеще тези стъпки ще бъдат направени и в едно, преносимо миниатюрно устройство.

Това ще отвори полето. Хората ще могат да използват MinION в своите кухни, за да проверят съдържанието на готовата си лазаня (съдържа ли тя наистина говеждо месо или това е месо?) Или да го използват за наблюдение на патогени и алергени. Oxford Nanopore дори планира да премине една стъпка по-напред със SmidgION: DNA секвенсор, който можете да включите в телефона си.

Но ние все още започваме да виждаме какво ще правят хората с тази технология. Учените са се възползвали от преносимостта на MinION, за да наблюдават биоразнообразието в отдалечени райони като Сухите долини на Антартика Макмурдо. НАСА използва устройството за наблюдение на състоянието на космонавтите в космоса и в крайна сметка може да го използва за визуализиране на извънземен живот. Властите в Кения скоро може незабавно да проверят дали месото идва от незаконно бракониерство.

В нашата лаборатория в Нюйоркския геномен център разработихме метод за използване на MinION на местопрестъпления. Решихме, че преносим секвенсър, който може да даде резултати за минути, може да даде начало на разследващите да идентифицират жертви или заподозрени. Традиционните криминалистични методи могат да отнемат дни, понякога седмици. Това е така, защото някой трябва да транспортира пробите от местопрестъпления до добре оборудвани лаборатории, където доказателствата седят на опашка, преди да бъдат пускани макар и скъпи машини.

Сензорите за секвениране на Nanopore са допълнение към геномичното поле и е малко вероятно да заменят по-традиционните платформи за секвениране, като тези, произведени от лидера на пазара, Illumina. Тези платформи за секвениране на ДНК са изключително точни, което ги прави незаменими за четене на цял геном (няколко пъти), което е необходимо, за да се каже, кои генетични вариации при хората водят до заболявания.

Понастоящем този вид работа не е силата на МИОН. Той има степен на грешка около 5 процента, което означава, че има една грешка при четене на всеки 20 нуклеотида. Това е високо, като се има предвид, че разликата между два индивида е 0,1 процента (една промяна на всеки 1000 нуклеотида). Но показанието от MinION все още е достатъчно добро, за да се впише в алгоритъма, който разработихме за анализ на местопрестъплението. Този алгоритъм изчислява вероятността косата или някакъв друг материал, открит на местопрестъплението, да съответства на човек в специална база данни на полицията.

За да разберете защо това работи дори при високия процент грешки, представете си, че ви давам името „Волдамор“ и ви помоля да ми кажете каква книга визирам. Може да разпознаете, че това е книга за Хари Потър, защото имате база данни в главата си, която се е формирала чрез четене, въпреки че има дурни грешки в думата, която ви давам. Не е необходимо да четете отново цялата книга от 300 страници или да представите „Voldemort“ точно както трябва. Genomics работи по същия принцип. След като имате полезна база данни, имате нужда само от някои информативни фрагменти на ДНК, за да идентифицирате кои бактериални видове присъстват в пробите от кисели краставички или понякога дори от кой човек е произлязло ДНК.

Сега, когато ерата на повсеместно секвениране на ДНК се приближава, трябва да подобрим генетичната грамотност. Как да се справим с тези геномни „големи данни”? За да се справим с подобни въпроси, ние с Янив Ерлих започнахме клас, наречен повсеместна геномика, в катедрата по компютърни науки на Университета Колумбия през 2015 г. Ние научихме студентите за тази авангардна технология и ги накарахме да изпитат потенциала. Учениците секвенираха ДНК със собствените си ръце и бяха насърчени да разработят изчислителни методи за анализ на своите данни. Успехът на това усилие в „интегративното обучение“ ни насърчи да мислим, че можем да направим нещо подобно, за да ангажираме учениците в геномиката и анализа на данните. С тази цел създадохме PlayDNA.

Наближаване на микропипетата, използвана с MinION. (С любезното съдействие на Оксфорд Нанопоре)

Ден преди началото на първия пилотен клас на PlayDNA, отделих няколко съставки от моя обяд, които по-късно ще се окажат в мистериозна ДНК проба, която учениците трябваше да идентифицират. PlayDNA предоставя инфраструктурата за класните стаи, за да не се притеснявате от извличането на ДНК и подготовката на ДНК библиотеките, така че студентите да могат да започнат последователност на ДНК веднага и да интерпретират своите данни. Двадесет и дванадесетгодишни студенти, които са преминали само няколко часа обучение по микропипети, провеждат ДНК не два часа след пристигането си в класната стая. Преобразуването в реално време на биологична информация в големи данни оживява темата; учениците нямаха търпение да разберат кои видове могат да бъдат забелязани при показанията на ДНК, които виждаха. Задачата им за следващата седмица беше да анализират данните и да идентифицират съставките и техните съотношения на моя обяд. Със сигурност на следващата седмица една група попита: „Софи, яде ли си доматена салата и малко овче месо за обяд?“

Готова ли е технологията за вашия кухненски плот? Бих задържал да направя място за известно време. Все още е необходимо известно ноу-хау, за да се справите със стъпките преди секвенирането, като разрушаване на клетките и пречистване на ДНК. Oxford Nanopore обаче работи и по начините за автоматизиране на тези стъпки. В крайна сметка мога да предвидя семейство, в което децата използват SmidgION, за да играят нова версия на Pokemon Go в парка с истински видове, докато мама пита татко: „Мила, ти постави ли масата и ти направи ли последователността на лазанята?“

Софи Заайер е докторантура в Нюйоркския геномен център и изпълнителен директор на PlayDNA, която разработва класове за геномни данни за средни училища, гимназии и университетско образование.