A készülék, amely a gyermekkori DNS-szekvenálást teszi lehetővé

A MinION feltöri a biotechnológiát a tömegek számára, ahogyan a PC demokratizálta a számítástechnikát. Mit fogunk csinálni ezzel az újfajta hatalommal?

A MINION (Oxford Nanopore jóvoltából)

Kedden délután nem vagyok, és Poppy, egy 12 éves lány, New York City-ben, osztálya előtt áll, és elmagyarázza társainak, hogyan lehet az életkódot olvasni egy DNS-szál átvezetésével valamelyik nanopóruson keresztül . A PlayDNA részeként, amelyet én alapítottam, a diákok uborkát pácoltak az elmúlt héten. Megmérték a savanyúság-üvegek folyadékának pH-ját, és a növekvő zavarosság alapján megfigyelték, hogy a baktériumsejtek száma megduplázódik. És az előtte lévő tudományos osztályok nemzedékeivel ellentétben mintákat vettek az üvegekből, hogy a baktériumfajokat DNS-sel azonosítsák.

Itt az ideje, hogy felfedje a láthatatlan életet savanyúságos üvegeikben. A hallgatók az asztal körül összegyűlnek, és a tanárukkal együtt egy valódi baktérium-DNS-mintát helyeznek egy apró DNS-szekvencerbe, amelyet egyszerűen bedugnak egy számítógép USB-portjába. Percekkel később az első DNS olvasás valós időben jelenik meg a képernyőn.

Ez egy középiskolában az Oxford Nanopore Technologies gyártmányú, MinION néven ismert miniatűr DNS-szekvencer miatt lehetséges. Majdnem két éve használom ezt az eszközt a New York-i Genom Központban, ahol kutatom, hogyan lehet azt használni a DNS-minták újbóli azonosításához. Tanácsadóm, Yaniv Erlich és én voltam az elsők, akik bevezették a Columbia University tantermi osztályába, és most része a PlayDNA programnak a helyi iskolákban. Meggyőződésem, hogy mérföldkövet jelent a technológiában. A hordozható DNS-szekvenálás bárkinek, nem csak a tudósoknak, feljogosítja az életet nagyobb felbontással, mint amennyit a fantasztikusabb kamera képes nyújtani - még akkor is, ha egy lény eltűnt. Kibővíthetjük látásunkat, hogy minden fajt láthassunk, nem csak a szabad szemmel látható fajokat.

A MinION 1000 dollárba kerül, és édességet kínál. Csatlakozik egy laptop számítógép USB-portjához. Ha el szeretné olvasni egy DNS-mintát, akkor mikropipettával eldobhat egy „DNS-könyvtárat” (egy perc alatt még inkább) egy milliméteres nyíláson keresztül a MinION-n. Az eszköz belsejében nanoporok vannak, a kúp alig több mint egy méter milliárd méter széles, membránba helyezve. Ezen nanopórusokon állandó ionáram folyik keresztül. Mivel mindegyik nukleotid (A, T, C vagy G) egyedi molekuláris szerkezettel rendelkezik, mindegyik kicsit eltérő alakú. A póruson áthaladó egyedi alak meghatározott módon megszakítja az ionáramot. Csakúgy, mint az alak árnyékának a falon történő elemzésével következtethetünk, levonhatjuk a nukleotid azonosságát a zavaroktól, amelyeket az ionáram okoz. Így konvertálja a bázisokat bitekké, amelyek adatfolyamba kerülnek számítógépre.

A DNS és az áram áramlása egy nanoporán keresztül. (Oxford Nanopore jóvoltából)

Még nem tudjuk közvetlenül a mikrobipettét a savanyúlevet a Minionba bevezetni. Néhány fejlett lépés szükséges a szekvenált DNS-könyvtár elkészítéséhez. Először feltörnie kell a sejteket a savanyú juice-ban, és meg kell tisztítania a DNS-t. A sejtek mindegyike különbözik - emlékeztethet arra a biológiai osztályból, hogy a növényi sejtfalak eltérnek a baktériumsejtfalaktól, amelyek eltérnek az emlős sejtek membránjaitól - és minden egyes sejttípus saját módszert igényel. Ezután a tisztított DNS-t úgy kell elkészíteni, hogy a Minion valóban el tudja olvasni. A DNS-könyvtár létrehozásának ezen lépéseihez olyan gépekre van szükség, amelyek még nem felhasználóbarátak a nem szakemberek számára, ideértve a mikrocentrifugát és a hőkezelőt (a DNA ujjlenyomat demokratizálásának alkalmával láthatom, hogy ezt a könyvtárat előkészítem és DNS-szekvenálom egy tetőn New York City). De a jövőben ezeket a lépéseket egyetlen, hordozható, miniatűr eszközön is meg kell tenni.

Ez megnyitja a mezőt. Az emberek képesek lesznek használni a MINION-ot a konyhájukban a kész lasagnának tartalmának ellenőrzésére (valójában tartalmaz-e marhahúst vagy lóhúsot?), Vagy felhasználhatják a kórokozók és allergének megfigyelésére. Az Oxford Nanopore még egy lépést is tervez a SmidgION segítségével: egy DNS-szekvencer, amelyet csatlakoztathat a telefonjához.

De még mindig csak látni kezdjük, hogy az emberek mit fognak csinálni ezzel a technológiával. A tudósok kihasználták a MinION hordozhatóságát a biológiai sokféleség figyelemmel kísérésére olyan távoli területeken, mint például az Antartica McMurdo száraz völgyei. A NASA az eszközt használja az űrhajósok egészségi állapotának megfigyelésére az űrben, és végül felhasználhatja azt a földön kívüli élet megjelenítésére. A kenyai hatóságok hamarosan azonnal megvizsgálhatják, hogy a hús illegális orvvadászatból származik-e.

A New York-i Genom Központ laboratóriumában kifejlesztettünk egy módszert a MinION használatára bűncselekmények helyszínén. Arra gondoltuk, hogy egy hordozható szekvencer, amely néhány perc alatt képes eredményeket szolgáltatni, elősegítheti a nyomozóknak az áldozatok vagy gyanúsítottak azonosítását. A hagyományos kriminalisztikai módszerek napokat, néha heteket is igénybe vehetnek. Ennek oka az, hogy valakinek a mintákat a bűncselekmény helyszínétől jól felszerelt laboratóriumokba kell szállítania, ahol a bizonyítékok sorban állnak, mielőtt drága gépeket futtatnának.

A Nanopore szekvenáló érzékelők kiegészítik a genomika területét, és valószínűleg nem helyettesítik a hagyományosabb szekvenálási platformokat, mint például az Illumina piacvezető. Ezek a DNS-szekvencia-platformok rendkívül pontosak, és nélkülözhetetlenné teszik őket egy teljes genom (néhányszor) leolvasásához, amelyre van szükség például annak meghatározásához, hogy az emberek genetikai variációi milyen betegségekhez vezetnek.

Ez a fajta munka jelenleg nem a MINION ereje. Kb. 5% -os hibaarányt jelent, ami azt jelenti, hogy 20 nukleotidonként egy leolvasási hiba van. Ez nagy, ha figyelembe vesszük, hogy a két egyed közötti különbség 0,1 százalék (1000 nukleotidonként egy variáció). De a MINION-ból származó leolvasás továbbra is elég jó ahhoz, hogy belekerülhessen a bűncselekmény helyszínének elemzésére kifejlesztett algoritmusba. Ez az algoritmus kiszámítja annak valószínűségét, hogy a haj vagy más bűncselekmény helyszínén talált anyag egyezzen egy speciális rendőri adatbázisban.

Ahhoz, hogy megértsük, miért működik ez még a magas hibaarány mellett, képzelje el, hogy adok neked „Voldamord” nevet, és kérje meg, hogy mondja el nekem, hogy melyik könyvre utalok. Lehet, hogy felismeri, hogy ez egy Harry Potter-könyv, mert a fejedben van egy adatbázis, amelyet olvasás útján alakítottak ki, annak ellenére, hogy az általam írt szóban vannak hibák. Nem kell újra elolvasnia a teljes 300 oldalas könyvet, vagy a „Voldemort” pontosan bemutatni. A genomika ugyanazon elv szerint működik. Miután rendelkezésre áll egy hasznos adatbázis, csak néhány informatív DNS-fragmentumra van szüksége annak meghatározásához, hogy mely baktériumfajok vannak jelen a savanyúságmintákban, vagy néha még annak a személynek is, ahonnan a DNS származik.

Most, hogy a mindenütt jelen lévő DNS-szekvenálás korszaka közeledik, javítanunk kell a genetikai írástudást. Hogyan kezeljük ezt a genomi „nagy adatot”? Az ilyen kérdések megválaszolása érdekében Yaniv Erlich és én 2015-ben elindítottuk a Ubiquitous Genomics nevû órát a Columbia University Egyetemi számítástechnikai osztályán. Tanítottuk a hallgatókat erre az élvonalbeli technológiára, és megkaptuk a tapasztalatokat. A hallgatók saját kezűleg szekvenálták a DNS-t, és arra buzdították őket, hogy dolgozzanak ki számítási módszereket az adatok elemzésére. Az „integráló tanulásban” tett erőfeszítés sikere arra ösztönözte bennünket, hogy gondolkozzunk valami hasonlóval az iskolások bevonásával a genomikába és az adatok elemzésébe. Ezzel a céllal alapítottuk a PlayDNA-t.

Vértes a MinION-vel használt mikropipetta számára. (Oxford Nanopore jóvoltából)

Az első PlayDNA kísérleti osztály kezdete előtt egy pár összetevőt különítettem el az ebédemtől, amelyek később rejtélyes DNS-mintába kerülnek, amelyet a hallgatóknak azonosítaniuk kellett. A PlayDNA az osztálytermek számára biztosítja az infrastruktúrát, hogy ne kelljen aggódniuk a DNS kinyerésével és a DNS könyvtárak elkészítésével kapcsolatban, így a diákok azonnal elkezdhetik a DNS szekvenálását és az adatok értelmezését. Huszonkét éves 12 éves hallgató, aki csak néhány órás mikropipetta-képzésben részesült, nem két órával az osztályba érkezés után szekvenálta a DNS-t. A biológiai információk valós idejű nagyméretű adatokké történő átalakítása felvilágosítja az alanyt; a hallgatók lelkesen tudták, melyik faj észlelhető a látott DNS-leolvasások során. A következő hétre a feladatuk az volt, hogy elemezzék az adatokat és azonosítsák az ebéd összetevőit és arányát. Valóban, a következő héten egy csoport azt kérdezte: “Sophie, ettél paradicsomos salátát és néhány juhhúst ebédre?”

Készen áll-e a technológia a konyhai pultra? Várnék egy ideig helyet. A szekvenálás előtt még szükség van bizonyos tudásra a lépések kezelésére, például a sejtek nyitására és a DNS tisztítására. Az Oxford Nanopore azonban ezen lépések automatizálására is törekszik. Végül el tudom látni egy olyan családot, ahol a gyerekek SmidgION-t használnak a Pokemon Go új verziójának a parkban valódi fajokkal való lejátszására, míg anyu apától kérdezi: „Drágám, beállítottad az asztalot, és soroztad a lasagnát?”

Sophie Zaaijer a New York-i Genom Központ posztdoktori ösztöndíja, valamint a PlayDNA vezérigazgatója, amely a középiskolák, a középiskolák és az egyetemi oktatás számára genomikai adat osztályokat fejleszt.