Vidin, mis teeb lapse sekveneerimise DNA mängust

MinION avab biotehnoloogia massilistele viisidele, kuidas arvuti demokratiseeris andmetöötlust. Mida me selle uue asunud jõuga peale hakkame?

Minion (Oxford Nanopore'i viisakus)

I t on teisipäeva pärastlõuna ja Poppy, New Yorgi 12-aastane tüdruk, seisab oma klassi ees ja selgitab eakaaslastele, kuidas saab elukoodi lugeda DNA ahela läbimisega läbi nn nanopoori . Minu kaasasutatud programmi PlayDNA osana on tudengid viimase nädala jooksul kurki marineerinud. Nad on mõõtnud hapukurkipurkides oleva vedeliku pH ja suurenevast hägususest nägid, et bakterirakkude arv kahekordistub. Ja erinevalt neist enne põlvkondi kestnud teadusklassidest on nad võtnud purkidest proove, et tuvastada bakteriliigid nende DNA järgi.

Nüüd on aeg näidata nende hapukurkipurkides nähtamatut elu. Õpilased kogunevad laua ümber ja panevad koos õpetajaga pisikesse DNA sekveneerisse päris bakteriaalse DNA proovi, mis lihtsalt ühendatakse arvuti USB-porti. Minuti pärast ilmuvad nende ekraanile reaalajas esimesed DNA-lugemid.

See on keskkoolis võimalik tänu Oxford Nanopore Technologies toodetud miniatuursele DNA sekveneerijale nimega MinION. Olen seda seadet juba ligi kaks aastat kasutanud New Yorgi geenivaramu juures, kus uurin, kuidas seda kasutada DNA proovide uuesti tuvastamiseks. Minu nõustaja Yaniv Erlich ja mina rakendasime selle esimesena Columbia ülikooli õppeklassis ja nüüd on see osa meie PlayDNA programmist kohalikes koolides. Olen veendunud, et see tähistab tehnoloogia verstaposti. Kaasaskantav DNA sekveneerimine võimaldab kõigil, mitte ainult teadlastel, näha elu suurema eraldusvõimega, kui väljapaistvam kaamera suudab pakkuda - ja seda isegi pärast olendi kadumist. Saame oma nägemust laiendada, et näha kõiki liike, mitte ainult palja silmaga nähtavaid liike.

MinION maksab 1000 dollarit ja on kommikoja suurune. See ühendatakse sülearvuti USB-porti. DNA-proovi lugemiseks tilgutate mikropipeti abil „DNA-raamatukogu” (minuti peal rohkem) läbi MINION-i millimeetri suuruse ava. Seadme sees on nanopoorid, veidi üle miljardi meetri laiused koonused, mis on paigutatud membraani. Nendest nanopooridest voolab ühtlane ioonvool. Kuna igal nukleotiidil (A, T, C või G) on ainulaadne molekulaarne struktuur, on iga nukleotiid veidi erinev. Poori läbiv ainulaadne kuju katkestab ioonivoolu konkreetsel viisil. Nii nagu me võime järeldada kuju, analüüsides selle varju seinal, saame tuletada nukleotiidi identiteeti häiretest, mida see põhjustab ioonvoolule. Nii teisendab seade alused bittideks, mis vooguvad arvutisse.

Näide sellest, kuidas DNA ja vool voolab läbi nanopoori. (Oxford Nanopore'i viisakus)

Me ei saa veel hapukurgi mahla MINION-i otse pipeteerida. Järjestusega DNA raamatukogu ettevalmistamiseks on vaja teha mõned edasijõudnud sammud. Kõigepealt peate hapukurgimahlas olevad rakud pragunema ja puhastama nende DNA. Rakud on kõik erinevad - bioloogiaklassist võib meelde tuletada, et taimerakkude seinad näevad välja erinevalt bakteriraku seintest, mis on erinevalt imetajate rakkude membraanidest - ja iga rakutüüp vajab oma meetodit. Seejärel tuleb puhastatud DNA valmistada nii, et Minion saaks seda tegelikult lugeda. Need DNA raamatukogu loomise sammud nõuavad masinaid, mis pole veel mittespetsialistidele kasutajasõbralikud, sealhulgas mikrotsentrifuugi ja termotsüklit (DNA sõrmejälgede demokratiseerimisel näete mind selle raamatukogu ettevalmistamist ja DNA sekveneerimist katusekorrusel New Yorgi linn). Kuid tulevikus tehakse neid samme ka ühes kaasaskantavas miniatuurses seadmes.

See avab välja. Inimesed saavad kasutada MINIONi oma köögis valmis lasanje sisu kontrollimiseks (kas see sisaldab tõesti veiseliha või on see hobuseliha?) Või kasutada seda patogeenide ja allergeenide jälgimiseks. Oxford Nanopore plaanib isegi SmidgIONiga sammu edasi minna: DNA sekveneerija, mille saate oma telefoni ühendada.

Kuid alles praegu näeme, mida inimesed selle tehnoloogiaga teevad. Teadlased on ära kasutanud MinIONi kaasaskantavuse bioloogilise mitmekesisuse jälgimiseks kaugetes piirkondades, näiteks Antartica McMurdo kuivas orus. NASA kasutab seadet astronautide tervisliku seisundi jälgimiseks kosmoses ja võiks seda lõpuks kasutada maavälise elu visualiseerimiseks. Keenia võimud võivad peagi kontrollida viivitamatult, kas liha on pärit ebaseaduslikust salaküttimisest.

New Yorgi geenivaramu laboris töötasime välja meetodi MinION kasutamiseks kuriteohetkedel. Arvasime, et kaasaskantav sekventser, mis võib tulemusi anda mõne minutiga, võib uurijatele anda alust ohvrite või kahtlusaluste tuvastamisel. Traditsioonilised kohtuekspertiisi meetodid võivad võtta päevi, mõnikord nädalaid. Põhjus on see, et keegi peab vedama proovid kuriteopaigast sündmuskohalt hästivarustatud laboritesse, kus asitõendid asuvad enne järjekorda järjekorda, kuigi neid juhitakse kallite masinate abil.

Nanopore'i järjestamise andurid on genoomikavälja täiendus ja tõenäoliselt ei asenda need traditsioonilisemaid järjestamisplatvorme, nagu näiteks turuliidri Illumina toodetud. Need DNA sekveneerimise platvormid on äärmiselt täpsed, muutes need hädavajalikuks kogu genoomi (paar korda) lugemiseks - just see on vajalik, et öelda näiteks, millised inimeste geneetilised variatsioonid põhjustavad haigusi.

Selline töö pole praegu MINIONi tugevus. Selle veamäär on umbes 5 protsenti, mis tähendab, et iga 20 nukleotiidi kohta on üks lugemisviga. See on suur, kui arvestada, et erinevus kahe inimese vahel on 0,1 protsenti (üks variatsioon iga 1000 nukleotiidi kohta). Kuid MINIONi näit on endiselt piisavalt hea, et sisestada algoritm, mille me välja töötasime kuriteopaiga analüüsimiseks. See algoritm arvutab välja tõenäosuse, et kuriteopaigast leitud juuksed või mõni muu materjal sobib politsei spetsiaalses andmebaasis oleva isikuga.

Mõistmaks, miks see töötab isegi kõrge veamäära korral, mõelge, et panen teile nime “Voldamord” ja palun teil öelda mulle, millisele raamatule ma viitan. Võite tunda, et see on Harry Potteri raamat, kuna teie peas on andmebaas, mis on loodud lugemise kaudu, ehkki sõnas, mida ma teile annan, on kirjavigu. Te ei pea kogu 300-leheküljelist raamatut uuesti läbi lugema ega “Voldemortit” täpselt õigesti esitama. Genoomika töötab samal põhimõttel. Kui teil on kasulik andmebaas, vajate ainult mõnda informatiivset DNA fragmenti, et teha kindlaks, milliseid bakteriliike hapukurgi proovides leidub või mõnikord isegi seda, kellelt DNA pärineb.

Nüüd, kui üldlevinud DNA järjestamise ajajärk on lähenemas, peame parandama geneetilist kirjaoskust. Kuidas me käsitleme seda genoomset “suurandmeid”? Selliste küsimuste lahendamiseks alustasime Yaniv Erlichi ja 2015. aastal Columbia ülikooli arvutiteaduse osakonnas nimega Ubiquitous Genomics. Õpetasime õpilastele seda tipptasemel tehnoloogiat ja saime neil potentsiaali kogeda. Õpilased sekveneerisid DNA oma kätega ja neid julgustati arendama arvutusmeetodeid oma andmete analüüsimiseks. Selle integreeritavas õppes tehtud jõupingutuste edu innustas meid mõtlema, kas võiksime teha midagi sarnast koolilaste kaasamiseks genoomikasse ja andmete analüüsimisse. Selle eesmärgi nimel asutasime PlayDNA.

Minioniga kasutatud mikropipeti läbilõige. (Oxford Nanopore'i viisakus)

Päev enne esimese PlayDNA pilootklassi algust eraldasin oma lõunasöögist paar koostisosa, mis hiljem sattuksid salapärase DNA-proovi, mille õpilased pidid tuvastama. PlayDNA pakub klassiruumidele taristu, et nad ei peaks muretsema DNA ekstraheerimise ja DNA raamatukogude ettevalmistamise pärast, nii saavad õpilased hakata DNA-d kohe sekveneerima ja oma andmeid tõlgendama. Kakskümmend 12-aastast õpilast, kes said vaid paaritunnise mikropipeti koolituse, sekveneerisid DNAd mitte kaks tundi pärast klassiruumi saabumist. Bioloogilise teabe reaalajas teisendamine suurandmeteks elavdab subjekti; õpilased said innukalt teada, milliseid liike võis märgata DNA näitudes. Nende järgmiseks nädalaks oli ülesanne analüüsida minu lõunasöögi andmeid ja tuvastada koostisosad ning nende vahekorrad. Muidugi, järgmisel nädalal küsis üks grupp: "Sophie, kas sa sööd lõunasöögiks tomatisalatit ja natuke lambaliha?"

Kas tehnoloogia on teie köögi leti jaoks valmis? Ma hoian natuke aega ruumi tegemisega. Enne sekveneerimist, nagu näiteks rakkude lahti murdmine ja DNA puhastamine, on vaja veel teatud oskusi. Kuid Oxford Nanopore töötab ka nende toimingute automatiseerimiseks. Lõpuks võin ma ette näha pere, kus lapsed kasutavad SmidgIONi, et mängida pargis Pokemon Go uut versiooni tõeliste liikidega, samal ajal kui ema küsib isalt: "Kullake, kas sa panid laua ja kas sa lasid lasanjet segada?"

Sophie Zaaijer on New Yorgi geenivaramu järeldoktor ja PlayDNA tegevjuht, kes töötab välja keskastme, keskkooli ja ülikoolihariduse genoomiandmete klasse.