Gadget koji čini DNK sekvenciranje dječje igre

MinION pušta otvorene biotehničke mase na način na koji je PC demokratizirao računarstvo. Što ćemo s ovom novonađenom snagom?

MinION (ljubaznošću Oxforda Nanopore)

U utorak popodne sam, a Poppy, dvanaestogodišnja djevojčica iz New Yorka, stoji ispred svog razreda i objašnjava svojim vršnjacima kako se životni kod može pročitati prolazeći nizom DNA kroz nešto što se naziva nanopore , U sklopu programa PlayDNA, programa čiji sam suosnivač, studenti su prošli tjedan krasili krastavce. Izmjerili su pH tekućine u staklenkama kiselih krastavaca i po sve većoj oblačnosti vidjeli su da se broj bakterijskih stanica udvostručio. A za razliku od generacija nastavnih sati prije njih, oni su uzimali uzorke iz staklenki kako bi identificirali bakterijske vrste po njihovom DNK.

Sada je vrijeme da otkrijemo nevidljivi život u njihovim staklenkama. Učenici se okupljaju oko stola i zajedno sa svojim učiteljem postavljaju pravi bakterijski DNK uzorak u maleni DNK sekvence, koji se jednostavno spaja u USB ulaz računala. Nekoliko minuta kasnije, prva očitanja DNA pojavljuju se u stvarnom vremenu na njihovom zaslonu.

To je moguće u srednjoj školi zbog minijaturnog sekvencera DNA, nazvanog MinION, kojeg je napravila kompanija Oxford Nanopore Technologies. Koristim ovaj uređaj gotovo dvije godine u New Yorkom genom centru, gdje istražujem kako ga koristiti za ponovnu identifikaciju uzoraka DNK. Moj savjetnik Yaniv Erlich i ja bili smo prvi koji su to implementirali u učionicu na Sveučilištu Columbia, a sada je dio našeg programa PlayDNA u lokalnim školama. Uvjeren sam da predstavlja prekretnicu u tehnologiji. Prijenosno DNK sekvenciranje omogućava bilo kome, ne samo znanstvenicima, da vide život u većoj razlučivosti nego što to može dati najfiniji fotoaparat - pa čak i nakon što jedno biće nestane. Mi možemo proširiti svoju viziju da vidimo sve vrste, a ne samo one koje su vidljive golim okom.

MinION košta 1.000 dolara i veličine je čokolade. Spaja se na USB priključak prijenosnog računala. Da biste pročitali DNK uzorak, pomoću mikropipete ispustite "DNK biblioteku" (o tome više u minuti) kroz otvor veličine milimetra na MinION-u. Unutar uređaja nalaze se nanopore, stošci širine nešto više od milijardu metara, smješteni u membranu. Kroz ove nanopore teče stalna jonska struja. Budući da svaki nukleotid (A, T, C ili G) ima jedinstvenu molekularnu šminku, svaki je oblikovan malo drugačije. Jedinstveni oblik koji prolazi kroz pore na poseban način prekida ionsku struju. Kao što možemo zaključiti oblik analizom njegove sjene na zidu, tako možemo zaključiti i nukleotidni identitet iz poremećaja koje on izaziva u ionskoj struji. Ovako uređaj pretvara baze u bitove koji struji u računalo.

Ilustracija kako DNK i struja teku kroz nanopore. (Ljubaznošću Oxforda Nanopore)

Još nismo u mogućnosti da mikropipetom sok iz kiselih krastavaca izravno u MinION. Za pripremu DNK biblioteke koja je sekvencirana potrebni su neki napredni koraci. Prvo morate otvoriti stanice u soku od kiselih krastavaca i pročistiti njihovu DNK. Sve su stanice različite - možete se prisjetiti iz biološke klase da stanične biljne stjenke izgledaju za razliku od bakterijskih staničnih zidova, koje su za razliku od membrana sisavaca - a svaka vrsta stanica zahtijeva svoju metodu. Zatim, pročišćenu DNK treba pripremiti na takav način da je Minion zapravo može pročitati. Ovi koraci za stvaranje DNK biblioteke zahtijevaju strojeve koji još nisu prilagođeni korisniku za nespecijaliste, uključujući mikrocentrifugu i termocikl (na lokaciji Demokratizacija DNK otiska možete vidjeti kako izvodim ovu pripremu biblioteke i slijed DNK na krovu u New York City). Ali u budućnosti će se ti koraci izvoditi i u jednom prijenosnom minijaturnom uređaju.

Ovo će otvoriti polje. Ljudi će moći upotrijebiti MinION u svojim kuhinjama da provjere sadržaj gotove lazanje (sadrži li to govedinu ili je to konjsko meso?) Ili će je koristiti za nadzor patogena i alergena. Oxford Nanopore čak planira otići korak dalje sa SmidgION: DNA sekvencerom koji možete priključiti u svoj telefon.

Ali tek počinjemo uviđati što će ljudi raditi s ovom tehnologijom. Znanstvenici su iskoristili MinION-ovu prenosivost kako bi nadzirali biološku raznolikost u udaljenim područjima, poput suhih dolina Antartice McMurdo. NASA koristi uređaj za nadgledanje zdravstvenog stanja astronauta u svemiru i na kraju bi ga mogla koristiti za vizualizaciju izvanzemaljskog života. Vlasti u Keniji uskoro bi mogle odmah provjeriti da li meso dolazi zbog ilegalnog krivolova.

U našem laboratoriju u njujorškom genomskom centru razvili smo metodu za primjenu MinION-a na mjestu zločina. Pretpostavili smo da prijenosni sekvencera, koji može dati rezultate u nekoliko minuta, istražiteljima može pomoći da identificiraju žrtve ili osumnjičene. Tradicionalne forenzičke metode mogu trajati danima, ponekad i tjednima. To je zato što netko mora transportirati uzorke s mjesta zločina u dobro opremljene laboratorije, gdje se dokazi nalaze u redu prije nego što ih pokreću skupi strojevi.

Nanopore senzori za sekvenciranje dodatak su genomičkome polju i malo je vjerojatno da će zamijeniti tradicionalnije platforme za sekvenciranje, poput onih koje je proizveo tržišni lider Illumina. Te platforme za sekvenciranje DNK izuzetno su precizne, čine ih neophodnim za čitanje čitavog genoma (nekoliko puta), što je potrebno da se, na primjer, utvrdi koje genetske varijacije ljudi dovode do bolesti.

Takav rad trenutno nije snaga Miniona. Stopa pogreške iznosi otprilike 5 posto, što znači da postoji jedna greška u čitanju na svakih 20 nukleotida. To je visoko s obzirom na to da je razlika između dvije jedinke 0,1 posto (jedna varijacija na svakih 1000 nukleotida). Ali očitavanje iz MinION-a je još uvijek dovoljno dobro da se uključi u algoritam koji smo razvili za analizu mjesta zločina. Ovaj algoritam izračunava vjerojatnost da kosa ili neki drugi materijal pronađen na mjestu zločina odgovaraju pojedincu u posebnoj policijskoj bazi podataka.

Da biste razumjeli zašto to funkcionira čak i uz visoku stopu pogreške, zamislite da vam dam ime "Voldamord" i zamolite vas da mi kažete o kojoj knjizi mislim. Mogli biste prepoznati da je to knjiga o Harryju Potteru jer u glavi imate bazu podataka koja je nastala čitanjem, iako postoje riječi s pogreškama u riječi koje vam dajem. Ne morate ponovno čitati cijelu knjigu od 300 stranica ili ispravno predstaviti "Voldemort". Genomics djeluje po istom principu. Jednom kada imate korisnu bazu podataka, potrebni su vam samo neki informativni fragmenti DNK da biste prepoznali koje su bakterijske vrste prisutne u uzorcima krastavaca ili ponekad čak i od koje osobe je DNK potekao.

Sada kada se doba sveprisutnog slijeda DNK bliži, trebamo poboljšati genetsku pismenost. Kako se nosimo s tim genomskim „velikim podacima”? Da bismo se pozabavili takvim pitanjima, Yaniv Erlich i ja pokrenuli smo razred pod nazivom Sveprisutna genomika na odjelu informatike Sveučilišta Columbia 2015. godine. Učili smo studente o ovoj vrhunskoj tehnologiji i natjerali ih da iskuse potencijal. Učenici su sekvencionirali DNK vlastitim rukama te su potaknuti da razviju računske metode za analizu svojih podataka. Uspjeh ovog napora u „integrativnom učenju“ potaknuo nas je na mišljenje da bismo mogli učiniti nešto slično kako bismo uključili školarce u genomiku i analizu podataka. S tim smo ciljem osnovali PlayDNA.

Izbliza mikropipeta koji se koristi s MinION-om. (Ljubaznošću Oxforda Nanopore)

Dan prije početka prve PlayDNA pilot klase izdvojio sam nekoliko sastojaka iz ručka koji će kasnije završiti u misterioznom DNK uzorku koji su studenti morali identificirati. PlayDNA pruža infrastrukturu učionicama da se ne moraju brinuti oko vađenja DNK i pripreme DNK biblioteka, tako da studenti mogu odmah početi slijediti DNK i interpretirati njihove podatke. Dvadeset dvanaestogodišnjaka, koji su prošli samo nekoliko sati treninga s mikropipetima, pratili su DNK dva sata nakon dolaska u učionicu. Pretvaranje bioloških informacija u stvarnom vremenu u velike podatke oživljava subjekt; studenti su željno saznali koje se vrste mogu uočiti u očitanju DNK koje su vidjeli. Njihov zadatak za sljedeći tjedan bio je analizirati podatke i identificirati sastojke i njihove omjere mog ručka. Svakako, sljedeći tjedan jedna je grupa pitala: "Sophie, jesi li jela salatu od rajčice i nešto ovčjeg mesa za ručak?"

Je li tehnologija spremna za vaš kuhinjski pult? Ne bih se zadržao na stvaranju prostora neko vrijeme. Još je potrebno neko znanje za postupanje u koracima prije sekvenciranja, poput otvaranja stanica i pročišćavanja DNK. Oxford Nanopore također radi na načinima automatizacije ovih koraka. Na kraju mogu predvidjeti obitelj u kojoj djeca koriste SmidgION za igranje nove verzije Pokemon Go-a u parku s pravim vrstama, dok mama pita tatu: "Draga, jesi li postavila stol i jesi li slijedio lazanje?"

Sophie Zaaijer postdoktorska je suradnica u njujorškom genomskom centru i izvršna direktorica PlayDNA-e, koja razvija razrede genomskih podataka za srednje škole, srednje škole i sveučilišno obrazovanje.