Гаджэт, які робіць паслядоўнасць ДНК дзіцячай гульні

Мініён разбурае адкрытыя біятэхналогіі для масы, як дэмакратызаваныя камп'ютэрныя вылічэнні. Што мы будзем рабіць з гэтай новай сілай?

Мініён (ласкава Оксфардскі Нанапара)

Я - днём у аўторак, і Попі, 12-гадовая дзяўчынка ў Нью-Ёрку, стаіць перад сваім класам і тлумачыць аднагодкам, як можна прачытаць код жыцця, перадаўшы нітку ДНК праз нешта, званае нанапара . У рамках праграмы PlayDNA, якую я сузаснаваў, студэнты праводзяць марынаванне агуркоў на працягу апошняга тыдня. Яны вымералі рН вадкасці ў марынаваных банках і па меры павелічэння памутнення бачылі, што колькасць бактэрыяльных клетак павялічваецца ўдвая. І ў адрозненне ад пакаленняў навуковых класаў перад імі, яны бралі ўзоры з слоікаў, каб вызначыць бактэрыяльныя віды па іх ДНК.

Цяпер прыйшоў час раскрыць нябачнае жыццё ў іх расолах. Студэнты збіраюцца за сталом і разам са сваім настаўнікам кладуць сапраўдны ўзор ДНК бактэрый у малюсенькі секвенсар ДНК, які проста падключаецца да USB-порта кампутара. Праз некалькі хвілін першыя чытанні ДНК з'яўляюцца ў рэжыме рэальнага часу на іх экране.

Гэта магчыма ў сярэдняй школе з-за мініяцюрнага секвенсара ДНК, які называецца MinION, зробленага Oxford Nanopore Technologies. Я амаль два гады карыстаюся гэтым прыборам у нью-ёркскім геномным цэнтры, дзе я вывучаю, як выкарыстоўваць яго для паўторнага выяўлення ўзораў ДНК. Мой дарадца Яніў Эрліх і я былі першымі, хто рэалізаваў гэта ў аўдыторыі Калумбійскага універсітэта, і зараз гэта частка нашай праграмы PlayDNA ў мясцовых школах. Я перакананы, што гэта з'яўляецца вяхой у тэхналогіі. Партатыўнае паслядоўнасць ДНК дае магчымасць любому чалавеку, а не толькі навукоўцам, бачыць жыццё ў больш высокім дазволе, чым можа ўявіць самая мудрагелістая камера - і нават пасля таго, як істота знікла. Мы можам пашырыць сваё бачанне, каб убачыць усе віды, а не толькі тыя, якія бачныя няўзброеным вокам.

Мініён каштуе 1000 долараў і мае памер цукеркі. Ён падключаецца да USB порта ноўтбука. Каб ён прачытаў узор ДНК, вы выкарыстоўваеце мікрапіпэту, каб кінуць "бібліятэку ДНК" (пра гэта ў хвіліну) праз адтуліну памеру міліметра ў "MinION". Унутры прылады знаходзяцца нанапоры, шышкі крыху больш за мільярд метра, змешчаныя ў мембрану. Праз гэтыя нанапоры цячэ пастаянны іённы ток. Паколькі кожны нуклеатыд (A, T, C або G) мае унікальны малекулярны склад, кожны з іх фармуецца крыху па-іншаму. Унікальная форма, якая праходзіць праз пары, спецыфічна перапыняе іённы ток. Гэтак жа, як мы можам зрабіць выснову формы, прааналізаваўшы яе цень на сцяне, мы можам зрабіць выснову пра нуклеатыдную асобу ад парушэнняў, якія ён выклікае ў іённым току. Менавіта так прылада пераўтварае базы ў біты, якія перадаюцца ў кампутар.

Ілюстрацыя таго, як ДНК і ток праходзяць праз нанапору. (Ласкава з Оксфарда Нанапара)

Мы яшчэ не ў стане наўпрост мікрапіпетам саліць расольнік у мініён. Для падрыхтоўкі бібліятэраў ДНК, якія секвенируются, неабходныя некаторыя дадатковыя этапы. Спачатку вам трэба ўзламаць клеткі ў соку расолу і ачысціць іх ДНК. Клеткі ўсе розныя - можна ўспомніць з класа біялогіі, што клеткавыя сценкі раслін выглядаюць у адрозненне ад клеткавых сценак бактэрый, якія ў адрозненне ад мембран клетак млекакормячых - і кожны тып клетак патрабуе свайго метаду. Затым вычышчаная ДНК павінна быць падрыхтавана такім чынам, каб Мініён мог яе прачытаць. Гэтыя крокі для стварэння бібліятэкі ДНК патрабуюць машын, якія яшчэ не зручныя для неспецыяліста, уключаючы мікрацэнтрыфу і тэрмацыклет (пры Дэмакратызацыі адбіткаў ДНК вы можаце бачыць, як я выконваю гэтую падрыхтоўку бібліятэкі і паслядоўнасць ДНК на даху ў Нью-Ёрк). Але ў будучыні гэтыя крокі таксама будуць зроблены ў адным партатыўным мініяцюрным прыладзе.

Гэта адкрые поле. Людзі змогуць выкарыстоўваць MinION на сваіх кухнях для праверкі змесціва гатовай лазаньі (ці сапраўды яна ўтрымлівае ялавічыну ці гэта конскае мяса?) Альбо выкарыстоўваць яе для назірання за хваробатворнымі мікраарганізмамі. Oxford Nanopore нават плануе пайсці на крок далей з SmidgION: секвенсар ДНК, які вы можаце падключыць да тэлефона.

Але мы ўсё яшчэ толькі пачынаем бачыць, што людзі будуць рабіць з гэтай тэхналогіяй. Навукоўцы скарысталіся пераноснасцю мініёна для маніторынгу біяразнастайнасці ў аддаленых раёнах, такіх як Сухім Даліне Макмурда Антартыкі. NASA выкарыстоўвае прыладу для маніторынгу стану здароўя касманаўтаў у космасе і можа ў канчатковым выніку выкарыстоўваць яго для візуалізацыі жыцця іншапланецян. Улады Кеніі неўзабаве могуць імгненна праверыць, ці мяса адбываецца ад незаконнага браканьерства.

У нашай лабараторыі ў Нью-Ёркскім геномным цэнтры мы распрацавалі метад выкарыстання MinION на месцах злачынстваў. Мы палічылі, што партатыўны секвенсар, які можа даць вынікі за лічаныя хвіліны, можа даць следчым разуменне ахвяраў і падазраваных. Традыцыйныя крыміналістычныя метады могуць займаць дні, часам тыдні. Усё таму, што хтосьці мусіць перавозіць узоры з месца злачынства ў добра абсталяваныя лабараторыі, дзе доказы сядзяць у чарзе, перш чым запускаць хаця і дарагія машыны.

Датчыкі паслядоўнасці Nanopore - гэта дапаўненне да поля геномікі і наўрад ці заменіць больш традыцыйныя платформы паслядоўнасці, як тыя, што вырабляюцца лідэрам рынку Illumina. Платформы паслядоўнасці ДНК надзвычай дакладныя, што робіць іх незаменнымі для прачытання цэлага генома (пару разоў), і менавіта для гэтага трэба сказаць, каб вызначыць, якія генетычныя змены ў людзей прыводзяць да захворванняў.

Такая праца ў цяперашні час не з'яўляецца сілай MinION. Ён мае прыблізна 5 працэнтаў памылак, што азначае, што кожная 20 нуклеатыдаў мае адну памылку чытання. Гэта высока, калі ўлічыць, што розніца паміж двума асобінамі складае 0,1 працэнта (па адной змене кожныя 1000 нуклеатыдаў). Але паказанні з Мініёна ўсё яшчэ дастаткова добрыя, каб увайсці ў алгарытм, распрацаваны для аналізу месца злачынства. Гэты алгарытм вылічвае верагоднасць таго, што валасы або нейкі іншы матэрыял, знойдзены на месцы злачынства, адпавядаюць асобе ў спецыяльнай паліцэйскай базе дадзеных.

Каб зразумець, чаму гэта працуе нават пры высокай хуткасці памылак, уявіце, што я даю вам імя "Волдаморд", і папрашу, каб вы расказалі мне пра якую кнігу я маю на ўвазе. Вы можаце даведацца, што гэта кніга пра Гары Потэра, таму што ў вас у галаве ёсць база дадзеных, якая сфармавалася пры чытанні, хаця ў слове, якое я вам даю, ёсць памылкі друку. Вам не трэба перачытваць усю кнігу на 300 старонак альбо прадастаўляць "Вольдэморт" дакладна правільна. Геноміка працуе па тым жа прынцыпе. Пасля таго, як у вас ёсць карысная база дадзеных, вам спатрэбяцца толькі некаторыя інфарматыўныя фрагменты ДНК, каб вызначыць, якія віды бактэрый прысутнічаюць у узорах салёных агуркоў, а часам і таго, у каго паходзіць ДНК.

Цяпер, калі эра паўсюднага паслядоўнасці ДНК набліжаецца, нам трэба палепшыць генетычную пісьменнасць. Як мы маем справу з гэтым геномным "вялікім дадзеным"? Каб вырашыць падобныя пытанні, яніў Эрліх і я пачалі занятак пад назвай "Усюдыісная геноміка" на кафедры інфарматыкі Калумбійскага універсітэта ў 2015 годзе. Мы навучылі студэнтаў гэтай перадавой тэхналогіі і дамагліся ад іх вопыту. Студэнтам секвенировали ДНК сваімі рукамі, і ім прапанавалі распрацаваць вылічальныя метады аналізу сваіх дадзеных. Поспех гэтых намаганняў у "інтэграцыйным навучанні" падштурхнуў нас да думкі, што мы можам зрабіць нешта падобнае, каб заняцца школьнікамі ў генеміі і аналізе дадзеных. Для гэтага мы заснавалі PlayDNA.

Буйны план мікрапіпеты выкарыстоўваецца з MinION. (Ласкава з Оксфарда Нанапара)

За дзень да пачатку першага пілотнага класа PlayDNA я аддзяліў пару інгрэдыентаў са свайго абеду, якія пазней апынуліся ў таямнічым узоры ДНК, які студэнты павінны былі ідэнтыфікаваць. PlayDNA забяспечвае інфраструктуру для заняткаў, каб не хвалявацца пры здабыванні ДНК і падрыхтоўцы бібліятэк ДНК, таму студэнты могуць пачаць паслядоўнасць ДНК адразу і інтэрпрэтаваць іх дадзеныя. Дваццаць 12-гадовых студэнтаў, якія прайшлі толькі пару гадзін навучання мікрапітэтам, праводзілі паслядоўнасць ДНК не праз дзве гадзіны пасля прыбыцця ў клас. Ператварэнне біялагічнай інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу ў вялікія дадзеныя ажыўляе тэму; Студэнты хацелі даведацца, якія віды можна было б заўважыць у паказаннях ДНК, якія яны бачылі. Іх заданнем на наступны тыдзень быў прааналізаваць дадзеныя і вызначыць інгрэдыенты і іх суадносіны майго абеду. Вядома, на наступным тыдні адна група спытала: "Сафі, вы елі таматавы салата і авечае мяса на абед?"

Ці гатовая тэхналогія для вашага кухоннага прылаўка? Я хацеў бы адкласці месца на некаторы час. Па-ранейшаму патрабуецца нейкае ноу-хау для апрацоўкі этапаў перад паслядоўнасцю, як разрыў клетак і ачыстка ДНК. Аднак Oxford Nanopore працуе над спосабамі аўтаматызацыі гэтых крокаў. У рэшце рэшт, я магу прадбачыць сям'ю, дзе дзеці выкарыстоўваюць SmidgION, каб гуляць у новую версію Pokemon Go у парку з рэальнымі відамі, у той час як мама пытаецца ў таты: "Дарагая, ты ўсталёўваў стол і чытаў ты лазанью?"

Сафі Зааіер - дактарантура Нью-Ёркскага геному-цэнтра і генеральны дырэктар PlayDNA, якая займаецца распрацоўкай класаў геномных дадзеных для сярэдняй школы, сярэдняй школы і вышэйшай адукацыі.