Gadżet, który sprawia, że ​​sekwencjonowanie DNA jest dziecinnie proste

MinION łamie otwarte biotechnologie dla mas tak, jak komputer zdemokratyzował komputery. Co zrobimy z tą nową mocą?

The MinION (dzięki uprzejmości Oxford Nanopore)

Jest wtorkowe popołudnie i Poppy, 12-letnia dziewczynka w Nowym Jorku, stoi przed swoją klasą i wyjaśnia rówieśnikom, jak można odczytać kod życia, przepuszczając nić DNA przez coś zwanego nanoporem . W ramach programu PlayDNA, który współzałożycielem, uczniowie kiszą ogórki przez ostatni tydzień. Zmierzyli pH cieczy w słoikach marynowanych i na podstawie rosnącego zmętnienia zauważyli, że liczba komórek bakteryjnych podwaja się. I w przeciwieństwie do pokoleń klas nauki przed nimi, pobrali próbki ze słoików, aby zidentyfikować gatunki bakterii na podstawie ich DNA.

Czas ujawnić niewidzialne życie w ich słoikach. Uczniowie zbierają się przy stole i wraz ze swoim nauczycielem wkładają prawdziwą bakteryjną próbkę DNA do małego sekwencera DNA, który po prostu podłącza się do portu USB komputera. Kilka minut później pierwsze odczyty DNA pojawiają się na ekranie w czasie rzeczywistym.

Jest to możliwe w szkole średniej dzięki miniaturowemu sekwencerowi DNA, zwanemu MinION, wyprodukowanemu przez Oxford Nanopore Technologies. Używam tego urządzenia od prawie dwóch lat w New York Genome Center, gdzie badam, jak używać go do ponownej identyfikacji próbek DNA. Mój doradca, Yaniv Erlich i ja jako pierwsi wdrożyliśmy to w klasie Columbia University, a teraz jest to część naszego programu PlayDNA w lokalnych szkołach. Jestem przekonany, że stanowi kamień milowy w technologii. Przenośne sekwencjonowanie DNA pozwala każdemu, nie tylko naukowcom, zobaczyć życie w wyższej rozdzielczości, niż może to być najbardziej kameralne - nawet po zniknięciu stworzenia. Możemy poszerzyć naszą wizję, aby zobaczyć wszystkie gatunki, nie tylko te widoczne gołym okiem.

MinION kosztuje 1000 $ i jest wielkości batonika. Łączy się z portem USB laptopa. Aby odczytać próbkę DNA, użyj mikropipety, aby upuścić „bibliotekę DNA” (więcej na ten temat za minutę) przez milimetrowy otwór na urządzeniu MinION. Wewnątrz urządzenia znajdują się nanopory, stożki o szerokości nieco ponad miliardowej metra, umieszczone w membranie. Przez te nanopory przepływa stały prąd jonowy. Ponieważ każdy nukleotyd (A, T, C lub G) ma unikalny skład molekularny, każdy z nich ma nieco inny kształt. Unikalny kształt przechodzący przez pory przerywa w sposób szczególny prąd jonowy. Tak jak możemy wywnioskować kształt, analizując jego cień na ścianie, możemy wnioskować o tożsamości nukleotydu na podstawie zakłóceń, jakie powoduje on w prądzie jonowym. W ten sposób urządzenie konwertuje bazy na bity przesyłane strumieniowo do komputera.

Ilustracja, w jaki sposób DNA i prąd przepływają przez nanopor. (Dzięki uprzejmości Oxford Nanopore)

Nie jesteśmy jeszcze w stanie bezpośrednio sipetować soku marynowanego do Minion. Konieczne są pewne zaawansowane kroki w celu przygotowania zsekwencjonowanej biblioteki DNA. Najpierw musisz otworzyć komórki w soku z ogórków i oczyścić ich DNA. Komórki są różne - możesz przypomnieć sobie z klasy biologii, że ściany komórkowe roślin wyglądają inaczej niż ściany komórkowe bakterii, które różnią się od błon komórek ssaków - a każdy typ komórek wymaga własnej metody. Następnie oczyszczone DNA musi być przygotowane w taki sposób, aby MinION mógł je odczytać. Te kroki, aby utworzyć bibliotekę DNA, wymagają maszyn, które nie są jeszcze przyjazne dla nie-specjalisty, w tym mikrowirówki i termocykla (w Democratizing DNA Fingerprinting możesz zobaczyć, jak wykonuję ten proces przygotowania biblioteki i sekwencjonowania DNA na dachu w Nowy Jork). Ale w przyszłości kroki te zostaną wykonane również w jednym, przenośnym miniaturowym urządzeniu.

To otworzy pole. Ludzie będą mogli używać MinION w kuchni, aby zweryfikować zawartość swojej gotowej lasagny (czy naprawdę zawiera wołowinę, czy to jest konina?) Lub użyć go do monitorowania patogenów i alergenów. Oxford Nanopore planuje nawet pójść o krok dalej dzięki SmidgION: sekwencerowi DNA, który można podłączyć do telefonu.

Ale wciąż dopiero zaczynamy widzieć, co ludzie zrobią z tą technologią. Naukowcy wykorzystali przenośność MinION do monitorowania różnorodności biologicznej w odległych obszarach, takich jak suche doliny McMurdo w Antartica. NASA używa tego urządzenia do monitorowania stanu zdrowia astronautów w kosmosie i może w końcu użyć go do wizualizacji życia pozaziemskiego. Władze Kenii mogą wkrótce szybko sprawdzić, czy mięso pochodzi z nielegalnego kłusownictwa.

W naszym laboratorium w New York Genome Center opracowaliśmy metodę użycia MinION na miejscu zbrodni. Doszliśmy do wniosku, że przenośny sekwencer, który może dostarczyć wyniki w ciągu kilku minut, może pomóc śledczym w rozpoznaniu ofiar lub podejrzanych. Tradycyjne metody kryminalistyczne mogą trwać dni, a czasem tygodnie. To dlatego, że ktoś musi przetransportować próbki z miejsca zbrodni do dobrze wyposażonych laboratoriów, gdzie dowody stoją w kolejce przed uruchomieniem przez drogie maszyny.

Czujniki sekwencjonowania nanoporów są dodatkiem do dziedziny genomiki i raczej nie zastąpią bardziej tradycyjnych platform sekwencjonowania, takich jak te produkowane przez lidera rynku, Illuminę. Te platformy sekwencjonowania DNA są niezwykle dokładne, co czyni je niezbędnymi do odczytania całego genomu (kilka razy), co jest potrzebne, powiedzmy, do określenia, które różnice genetyczne u ludzi prowadzą do chorób.

Tego rodzaju praca nie jest obecnie siłą Miniona. Ma wskaźnik błędu około 5 procent, co oznacza, że ​​występuje jeden błąd odczytu na 20 nukleotydów. To duże, biorąc pod uwagę, że różnica między dwoma osobnikami wynosi 0,1 procent (jedna zmiana na 1000 nukleotydów). Ale odczyt z MinION jest wciąż wystarczająco dobry, aby wykorzystać algorytm, który opracowaliśmy na potrzeby analizy miejsca przestępstwa. Algorytm ten oblicza prawdopodobieństwo, że włosy lub inny materiał znaleziony na miejscu przestępstwa pasuje do osoby w specjalnej policyjnej bazie danych.

Aby zrozumieć, dlaczego to działa nawet przy wysokim wskaźniku błędów, wyobraź sobie, że nadaję ci nazwę „Voldamord” i proszę, abyś powiedział mi, do której książki się odnosię. Możesz rozpoznać, że to książka o Harrym Potterze, ponieważ masz w swojej bazie danych bazę danych, która została utworzona przez czytanie, mimo że słowo, które ci daję, zawiera literówki. Nie musisz ponownie czytać całej 300-stronicowej książki, aby „Voldemort” został dokładnie zaprezentowany. Genomika działa na tej samej zasadzie. Kiedy masz już użyteczną bazę danych, potrzebujesz tylko niektórych fragmentów DNA, aby zidentyfikować gatunki bakterii obecne w próbkach marynaty, a czasem nawet od jakiej osoby pochodzi DNA.

Teraz, gdy zbliża się epoka wszechobecnego sekwencjonowania DNA, musimy poprawić znajomość genetyczną. Jak radzimy sobie z tym genomowym „big data”? Aby odpowiedzieć na takie pytania, Yaniv Erlich i ja rozpoczęliśmy klasę o nazwie Ubiquitous Genomics na wydziale informatyki Uniwersytetu Columbia w 2015 roku. Uczyliśmy studentów o tej najnowocześniejszej technologii i przekonaliśmy ich, aby doświadczyli potencjału. Uczniowie sekwencjonowali DNA własnymi rękami i zostali zachęceni do opracowania metod obliczeniowych do analizy swoich danych. Sukces tego wysiłku w zakresie „uczenia integracyjnego” zachęcił nas do myślenia, że ​​możemy zrobić coś podobnego, aby zaangażować uczniów w genomikę i analizę danych. W tym celu założyliśmy PlayDNA.

Zbliżenie mikropipety używanej z MinION. (Dzięki uprzejmości Oxford Nanopore)

Dzień przed rozpoczęciem pierwszej klasy pilotażowej PlayDNA oddzieliłem kilka składników z obiadu, które później zakończyły się tajemniczą próbką DNA, którą uczniowie musieli zidentyfikować. PlayDNA zapewnia infrastrukturę dla klas, aby nie musiały się martwić o ekstrakcję DNA i przygotowanie bibliotek DNA, dzięki czemu uczniowie mogą od razu zacząć sekwencjonować DNA i interpretować swoje dane. Dwudziestu 12-letnich uczniów, którzy otrzymali zaledwie kilka godzin treningu z mikropipetami, sekwencjonowało DNA nie później niż dwie godziny po przybyciu do klasy. Konwersja informacji biologicznej w czasie rzeczywistym na duże zbiory ożywia podmiot; uczniowie chętnie dowiedzieli się, które gatunki można dostrzec w odczytach DNA, które widzieli. Ich zadaniem na następny tydzień była analiza danych oraz identyfikacja składników i proporcji mojego lunchu. Rzeczywiście, w następnym tygodniu jedna grupa zapytała: „Sophie, jadłaś sałatkę z pomidorów i mięso baranie na lunch?”

Czy technologia jest gotowa na blat kuchenny? Przez pewien czas nie chciałbym robić miejsca. Nadal wymaga trochę wiedzy, aby poradzić sobie z krokami przed sekwencjonowaniem, na przykład rozbicie komórek i oczyszczenie DNA. Oxford Nanopore pracuje jednak również nad sposobami automatyzacji tych kroków. W końcu mogę przewidzieć rodzinę, w której dzieci używają SmidgION, aby zagrać w nową wersję Pokemon Go w parku z prawdziwymi gatunkami, podczas gdy mama pyta tatę: „Kochanie, nakryłaś stół i sekwencjonowałaś lasagnę?”

Sophie Zaaijer jest doktorem habilitowanym w New York Genome Center i dyrektorem generalnym PlayDNA, który opracowuje klasy danych genomowych dla gimnazjów, szkół średnich i szkół wyższych.