Gadget, joka tekee DNA-sekvensointilapsen

MinION halkaisee biotekniikan massoille tavalla, jolla PC demokratisoi laskennan. Mitä teemme tällä uudella tavalla löydetyllä voimalla?

Minion (Oxford Nanoporen kohteliaisuus)

En ole tiistaina iltapäivällä ja Poppy, 12-vuotias tyttö New Yorkissa, seisoo luokkansa edessä ja selittää ikäisilleen kuinka elämäkoodi voidaan lukea kuljettamalla DNA-juoste nanoporen nimeltä . Yhdessä perustamani PlayDNA-ohjelman osana opiskelijat ovat viime viikon aikana mausteneet kurkkuja. He ovat mitanneet suolakurkkupurkeissa olevan nesteen pH: n ja nähneet kasvavasta sameudesta, että bakteerisolujen määrä kaksinkertaistuu. Ja toisin kuin edeltävät sukupolvet tiedekursseja, he ovat ottaneet näytteitä purkeista bakteerilajien tunnistamiseksi DNA: lla.

Nyt on aika paljastaa näkymätön elämä heidän suolakurkkupurkeissaan. Opiskelijat kokoontuvat pöydän ympärille ja laittavat yhdessä opettajansa kanssa todellisen bakteerin DNA-näytteen pieneen DNA-sekvensseriin, joka yksinkertaisesti liitetään tietokoneen USB-porttiin. Minuuttia myöhemmin ensimmäiset DNA-lukemat näkyvät reaaliajassa heidän näytöllään.

Tämä on mahdollista lukiossa Oxford Nanopore Technologiesin tekemän pienois-DNA-sekvensserin, nimeltään MinION, takia. Olen käyttänyt tätä laitetta melkein kaksi vuotta New Yorkin genomikeskuksessa, jossa tutkin, miten sitä voidaan käyttää DNA-näytteiden uudelleen tunnistamiseen. Neuvonantajani Yaniv Erlich ja minä otimme ensimmäisen sen käyttöön Columbian yliopiston luokkahuoneessa, ja nyt se on osa PlayDNA-ohjelmaa paikallisissa kouluissa. Olen vakuuttunut siitä, että se edustaa virstanpylvästä tekniikassa. Kannettava DNA-sekvensointi antaa kenelle tahansa, ei vain tutkijoille, mahdollisuuden nähdä elämää korkeammalla resoluutiolla kuin mitä fantasiakamera pystyy tarjoamaan - ja jopa olennon poistumisen jälkeen. Voimme laajentaa visioamme nähdä kaikki lajit, ei vain paljaalla silmällä näkyvät lajit.

MinION maksaa 1 000 dollaria ja on karkkipalkin kokoinen. Se yhdistetään kannettavan tietokoneen USB-porttiin. Jos haluat sen lukevan DNA-näytteen, pudotat mikropipetin avulla ”DNA-kirjaston” (enemmän siitä minuutissa) millimetrikokoisen aukon läpi MinION-laitteessa. Laitteen sisällä on nanopora, kartioita, jotka ovat hieman yli miljardi metriä leveitä, sijoitettu kalvoon. Näiden nanoporujen läpi virtaa tasainen ionivirta. Koska jokaisella nukleotidilla (A, T, C tai G) on ainutlaatuinen molekyylimaailma, jokainen on muotoiltu hieman eri tavalla. Huokon läpi kulkeva ainutlaatuinen muoto keskeyttää ionivirran tietyllä tavalla. Aivan kuten voimme päätellä muodon analysoimalla sen varjon seinällä, voimme päätellä nukleotidin identiteetin häiriöistä, joita se aiheuttaa ionivirralle. Näin laite muuntaa emäkset bitteiksi, jotka virtaavat tietokoneeksi.

Esimerkki siitä, kuinka DNA ja virta kulkevat nanoporen läpi. (Oxford Nanoporen kohteliaisuus)

Emme vielä pysty mikropipetoimaan suolakurkkumehua suoraan MINIONiin. Jotkut edistyneet vaiheet vaaditaan sekvensoidun DNA-kirjaston valmistamiseksi. Ensin sinun on murtauduttava avaamaan solut suolakurkkumehuun ja puhdistettava niiden DNA. Solut ovat kaikki erilaisia ​​- saatat muistaa biologialuokasta, että kasvisolujen seinät näyttävät erilaisilta kuin bakteerisolujen seinät, jotka ovat toisin kuin nisäkässolujen kalvot - ja jokainen solutyyppi vaatii oman menetelmän. Sitten puhdistettu DNA on valmistettava siten, että MINION pystyy todella lukemaan sen. Nämä vaiheet DNA-kirjaston luomiseksi vaativat koneita, jotka eivät ole vielä käyttäjäystävällisiä erikoistumattomille, mukaan lukien mikrotsentrifugi ja termosykli (Demokratisoivassa DNA-sormenjälkessä voit nähdä minun suorittavan tämän kirjaston esivalmistelut ja DNA-sekvensoinnin katolla New York City). Mutta tulevaisuudessa nämä vaiheet suoritetaan myös yhdessä kannettavassa pienoiskoossa.

Tämä avaa kentän. Ihmiset voivat käyttää MINIONia keittiöissään tarkistaakseen valmissa lasananan sisällön (sisältääkö se todella naudanlihaa vai onko se hevosenlihaa?) Tai käyttää sitä patogeenien ja allergeenien seurantaan. Oxford Nanopore aikoo jopa mennä askeleen pidemmälle SmidgION: n avulla: DNA-sekvensseri, jonka voit kytkeä puhelimeesi.

Mutta olemme vasta vasta alkamassa nähdä, mitä ihmiset tekevät tällä tekniikalla. Tutkijat ovat hyödyntäneet MinION: n siirrettävyyttä biologisen monimuotoisuuden seurantaan syrjäisillä alueilla, kuten Antartican McMurdo-kuivalaaksot. NASA seuraa laitetta astronautien terveydentilan seurantaan avaruudessa ja voisi lopulta käyttää sitä maan ulkopuolisen elämän visualisointiin. Kenian viranomaiset saattavat pian tarkistaa heti, onko liha peräisin laittomasta salametsästyksestä.

New York Genome Center -laboratoriossamme kehitimme menetelmän MinION: n käyttämiseen rikospaikoissa. Kuvittelimme, että kannettava sekvensseri, joka voi antaa tuloksia minuuteissa, voisi antaa tutkijoille etumatkan uhrien tai epäiltyjen tunnistamisessa. Perinteiset oikeuslääketieteelliset menetelmät voivat viedä päiviä, joskus viikkoja. Tämä johtuu siitä, että jonkun on kuljetettava näytteet rikospaikoilta hyvin varustetuille laboratorioille, joissa todisteet istuvat jonossa ennen kuin niitä ajaa vaikka kalliilla koneilla.

Nanopore-sekvensointianturit ovat lisäys genomiikka-kenttään, ja ne eivät todennäköisesti korvaa perinteisempiä sekvensointialustoja, kuten markkinajohtaja Illuminan tuottamat. Nämä DNA-sekvensointiympäristöt ovat erittäin tarkkoja, mikä tekee niistä välttämättömiä koko genomin (pari kertaa) lukemiseen, mikä on mitä tarvitaan esimerkiksi määrittämään, mitkä ihmisten geneettiset variaatiot johtavat sairauksiin.

Tällainen työ ei tällä hetkellä ole MINION: n vahvuus. Sen virhesuhde on noin 5 prosenttia, mikä tarkoittaa, että jokainen 20 nukleotidia kohden on yksi lukuvirhe. Se on suuri, kun otetaan huomioon, että ero kahden yksilön välillä on 0,1 prosenttia (yksi variaatio jokaista 1000 nukleotidia kohden). Mutta lukema MINION: lta on silti riittävän hyvä syömään algoritmiin, jonka kehitimme rikospaikan analysointia varten. Tämä algoritmi laskee todennäköisyyden, että rikokselta löydetyt hiukset tai muu materiaali vastaa henkilöä erityisessä poliisin tietokannassa.

Ymmärtääksesi, miksi tämä toimii jopa korkean virhesuhteen takia, kuvitelkaa, että annan teille nimen Voldamord ja pyydän teitä kertomaan, mihin kirjaan viittaan. Saatat tunnistaa, että se on Harry Potter -kirja, koska päässäsi on tietokanta, joka on muodostettu lukemisen kautta, vaikka sanassa, jonka minä annan sinulle, on kirjoitusvirheitä. Sinun ei tarvitse lukea kokonaan 300-sivuista kirjaa tai saada “Voldemort” esittelemään aivan oikein. Genomiikka toimii samalla periaatteella. Kun sinulla on hyödyllinen tietokanta, tarvitset vain joitain informatiivisia DNA-fragmentteja sen tunnistamiseksi, mitkä bakteerilajit ovat läsnä suolakurkkinäytteissä tai joskus jopa mistä henkilöstä DNA on kotoisin.

Nyt kun kaikkialla maailmassa käytetyn DNA-sekvensoinnin aikakausi lähestyy, meidän on parannettava geneettistä lukutaitoa. Kuinka käsittelemme tätä genomista ”suurta dataa”? Vastatakseen sellaisiin kysymyksiin Yaniv Erlich ja minä aloitimme Ubiquitous Genomics -nimisen luokan Columbian yliopiston tietotekniikan laitoksella vuonna 2015. Opetimme opiskelijoille tätä huipputeknologiaa ja saimme heidät kokemaan potentiaalia. Opiskelijat sekvensoivat DNA: n omilla käsillään, ja heitä kehotettiin kehittämään laskennallisia menetelmiä tietojen analysoimiseksi. Tämän "integroivan oppimisen" menestys rohkaisi meitä ajattelemaan, että voisimme tehdä jotain samanlaista kiinnittääksemme koululaiset genomiikkaan ja data-analyysiin. Perustimme PlayDNA: n sillä tavoin.

Lähikuva Mikion kanssa käytetystä mikropipetistä. (Oxford Nanoporen kohteliaisuus)

Päivää ennen ensimmäisen PlayDNA-pilottitunnin alkua erotin pari ainesosaa lounastani, jotka päätyvät myöhemmin mysteeri-DNA-näyteeseen, jonka opiskelijoiden oli tunnistettava. PlayDNA tarjoaa luokkahuoneille infrastruktuurin, jotta sinun ei tarvitse huolehtia DNA: n erottamisesta ja DNA-kirjastojen valmistelusta, jotta opiskelijat voivat aloittaa DNA: n sekvensoinnin heti ja tulkita tietojaan. Kaksikymmentä 12-vuotiasta opiskelijaa, jotka saivat vain muutaman tunnin mikropipettiharjoittelun, sekvensoivat DNA: ta kahden tunnin kuluttua saapumisestaan ​​luokkahuoneeseen. Biologisen tiedon reaaliaikainen muuntaminen big dataksi innostaa kohdetta; Opiskelijat tiesivät innokkaasti, mitkä lajit voitiin havaita näkemissään DNA-lukemissa. Heidän tehtävänsä seuraavalle viikolle oli analysoida tietoja ja tunnistaa lounaani ainesosat ja niiden suhteet. Tosiaan, seuraavalla viikolla yksi ryhmä kysyi: "Sophie, söitkö lounaalle tomaattisalaattia ja lampaanlihaa?"

Onko tekniikka valmis keittiötiskillesi? Haluaisin tehdä tilaa tilaa hetkeksi. Vaiheiden käsitteleminen ennen sekvensointia vaatii silti jonkin verran tietämystä, kuten solujen murtaminen ja DNA: n puhdistaminen. Oxford Nanopore pyrkii kuitenkin myös automatisoimaan nämä vaiheet. Lopulta voin odottaa perhettä, jossa lapset käyttävät SmidgION-peliä pelataksesi uuden version Pokemon Go -puistosta oikeiden lajien kanssa, kun taas äiti kysyy isältä: “Rakas, asetitko pöydän ja järjestitkö lasananan?”

Sophie Zaaijer on tutkijatohtori New Yorkin geenikeskuksessa ja PlayDNA: n toimitusjohtaja. Hän kehittää genomisen tiedon luokkia keskikouluille, lukioille ja yliopistokoulutukselle.