Το Gadget που κάνει το DNA να αλληλουχίζει το παιδικό παιχνίδι

Το MinION σπάει ανοιχτή βιοτεχνολογία στις μάζες με τον τρόπο που ο υπολογιστής εκδημοκρατίζει τον υπολογιστή. Τι θα κάνουμε με αυτή τη νέα δύναμη;

The Minion (Ευγενική προσφορά της Oxford Nanopore)

Είμαι το απόγευμα της Τρίτης και η Poppy, μια 12χρονη κοπέλα στη Νέα Υόρκη, στέκεται μπροστά από την τάξη της και εξηγεί στους συνομηλίκους της πώς μπορεί να διαβαστεί ο κώδικας ζωής περνώντας ένα σκέλος DNA μέσα από κάτι που ονομάζεται νανοπόρο . Ως μέρος του PlayDNA, ενός προγράμματος που συν-ίδρυσα, οι μαθητές μαζεύουν αγγούρια την τελευταία εβδομάδα. Έχουν μετρήσει το pH του υγρού στα βάζα τουρσί και έχουν δει από την αυξανόμενη θολότητα ότι ο αριθμός των βακτηριακών κυττάρων διπλασιάστηκε. Και σε αντίθεση με τις γενιές των επιστημονικών τάξεων πριν από αυτούς, έχουν πάρει δείγματα από τα βάζα για να προσδιορίσουν τα βακτηριακά είδη από το DNA τους.

Ήρθε η ώρα να αποκαλύψετε την αόρατη ζωή στα βάζα τουρσί τους. Οι μαθητές συγκεντρώνονται γύρω από το τραπέζι και, μαζί με τον δάσκαλό τους, έβαλαν ένα πραγματικό δείγμα βακτηριακού DNA σε ένα μικροσκοπικό DNA sequencer, το οποίο απλώς συνδέεται στη θύρα USB ενός υπολογιστή. Λεπτά αργότερα, οι πρώτες αναγνώσεις DNA εμφανίζονται σε πραγματικό χρόνο στην οθόνη τους.

Αυτό είναι δυνατό σε ένα γυμνάσιο λόγω του μινιατούρα ακολουθίας DNA, που ονομάζεται MinION, που δημιουργήθηκε από την Oxford Nanopore Technologies. Χρησιμοποιώ αυτήν τη συσκευή για σχεδόν δύο χρόνια στο Κέντρο Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης, όπου ερευνώ πώς να τη χρησιμοποιήσω για την ταυτοποίηση των δειγμάτων DNA. Ο σύμβουλός μου, Yaniv Erlich, και εγώ ήμασταν οι πρώτοι που το εφαρμόσαμε σε μια τάξη του Πανεπιστημίου της Κολούμπια και τώρα είναι μέρος του προγράμματος PlayDNA μας σε τοπικά σχολεία. Είμαι πεπεισμένος ότι αποτελεί ορόσημο στην τεχνολογία. Η φορητή ανάλυση αλληλουχίας DNA δίνει τη δυνατότητα σε οποιονδήποτε, όχι μόνο στους επιστήμονες, να βλέπει τη ζωή σε υψηλότερη ανάλυση από ό, τι μπορεί να προσφέρει η πιο φανταστική κάμερα - και ακόμη και μετά την εξαφάνιση ενός πλάσματος. Μπορούμε να διευρύνουμε το όραμά μας για να δούμε όλα τα είδη, όχι μόνο αυτά που είναι ορατά με γυμνό μάτι.

Το MinION κοστίζει 1.000 $ και είναι το μέγεθος μιας καραμέλας. Συνδέεται με τη θύρα USB ενός φορητού υπολογιστή. Για να το διαβάσετε ένα δείγμα DNA, χρησιμοποιείτε μια μικροπιπέτα για να ρίξετε μια «βιβλιοθήκη DNA» (περισσότερα σε αυτό σε ένα λεπτό) μέσω ενός ανοίγματος μεγέθους χιλιοστών στο Minion. Μέσα στη συσκευή βρίσκονται νανοπόροι, κώνοι πλάτους πάνω από το ένα δισεκατομμύριο του μέτρου, τοποθετημένοι σε μεμβράνη. Ένα σταθερό ρεύμα ιόντων ρέει μέσω αυτών των νανοπόρων. Δεδομένου ότι κάθε νουκλεοτίδιο (A, T, C ή G) έχει ένα μοναδικό μοριακό μακιγιάζ, το καθένα έχει σχήμα λίγο διαφορετικά. Το μοναδικό σχήμα που διέρχεται από τον πόρο διακόπτει το ρεύμα ιόντων με συγκεκριμένο τρόπο. Ακριβώς όπως μπορούμε να συμπεράνουμε ένα σχήμα αναλύοντας τη σκιά του σε έναν τοίχο, μπορούμε επίσης να συμπεράνουμε την ταυτότητα ενός νουκλεοτιδίου από τις διαταραχές που προκαλεί στο ρεύμα ιόντων. Έτσι η συσκευή μετατρέπει βάσεις σε bit που μεταδίδονται σε υπολογιστή.

Μια απεικόνιση του πώς ρέει το DNA και ένα ρεύμα μέσω ενός νανοπόρου. (Ευγενική προσφορά της Oxford Nanopore)

Δεν είμαστε ακόμη σε θέση να μεταφέρουμε απευθείας το χυμό τουρσί μικροσωλήνων στο Minion. Απαιτούνται ορισμένα προχωρημένα βήματα για την προετοιμασία της βιβλιοθήκης DNA που ακολουθεί. Πρώτα πρέπει να ανοίξετε τα κύτταρα στο χυμό τουρσί και να καθαρίσετε το DNA τους. Τα κύτταρα είναι όλα διαφορετικά - μπορεί να θυμάστε από την κατηγορία βιολογίας ότι τα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων μοιάζουν με τα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα, τα οποία δεν είναι σε αντίθεση με τις μεμβράνες των κυττάρων θηλαστικών - και κάθε τύπος κυττάρου απαιτεί τη δική του μέθοδο. Στη συνέχεια, το καθαρισμένο DNA πρέπει να προετοιμαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε το Minion να μπορεί να το διαβάσει. Αυτά τα βήματα για τη δημιουργία βιβλιοθήκης DNA απαιτούν μηχανές που δεν είναι ακόμη φιλικές προς το χρήστη για έναν μη ειδικό, συμπεριλαμβανομένου ενός μικροφυγοκεντρητή και ενός θερμοκυκλικού (στο Democratizing DNA Fingerprinting μπορείτε να με δείτε να εκτελεί αυτήν την προετοιμασία βιβλιοθήκης και την αλληλουχία DNA σε μια στέγη στο Νέα Υόρκη). Αλλά στο μέλλον, αυτά τα βήματα θα γίνουν επίσης σε μία φορητή μικροσκοπική συσκευή.

Αυτό θα ανοίξει το πεδίο. Οι άνθρωποι θα μπορούν να χρησιμοποιούν το Minion στις κουζίνες τους για να επαληθεύουν το περιεχόμενο της έτοιμης λαζάνια τους (περιέχει πραγματικά βόειο κρέας ή είναι κρέας αλόγου;) ή να το χρησιμοποιήσουν για την παρακολούθηση των παθογόνων και των αλλεργιογόνων. Η Oxford Nanopore σχεδιάζει ακόμη και να προχωρήσει ένα βήμα παραπέρα με το SmidgION: έναν ακολουθία DNA που μπορείτε να συνδέσετε στο τηλέφωνό σας.

Αλλά αρχίζουμε να βλέπουμε μόνο τι θα κάνουν οι άνθρωποι με αυτήν την τεχνολογία. Οι επιστήμονες έχουν επωφεληθεί από τη φορητότητα του Minion για την παρακολούθηση της βιοποικιλότητας σε απομακρυσμένες περιοχές, όπως η McMurdo Dry Valleys της Antartica. Η NASA χρησιμοποιεί τη συσκευή για να παρακολουθεί την κατάσταση της υγείας των αστροναυτών στο διάστημα και θα μπορούσε τελικά να τη χρησιμοποιήσει για να απεικονίσει την εξωγήινη ζωή. Οι αρχές στην Κένυα θα μπορούσαν σύντομα να ελέγξουν αμέσως εάν το κρέας προέρχεται από παράνομη λαθροθηρία.

Στο εργαστήριό μας στο Κέντρο Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης, αναπτύξαμε μια μέθοδο για τη χρήση του Minion σε σκηνές εγκληματικότητας. Διαπιστώσαμε ότι ένας φορητός sequencer, ο οποίος μπορεί να αποδώσει αποτελέσματα σε λίγα λεπτά, θα μπορούσε να δώσει στους ερευνητές ένα ξεκίνημα για τον εντοπισμό θυμάτων ή υπόπτων. Οι παραδοσιακές ιατροδικαστικές μέθοδοι μπορεί να διαρκέσουν ημέρες, μερικές φορές εβδομάδες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κάποιος πρέπει να μεταφέρει τα δείγματα από σκηνές εγκληματικότητας σε καλά εξοπλισμένα εργαστήρια, όπου τα αποδεικτικά στοιχεία κάθονται σε ουρά προτού εκτελεστούν με ακριβά μηχανήματα.

Οι αισθητήρες αλληλουχίας Nanopore είναι μια προσθήκη στο πεδίο της γονιδιωματικής και είναι απίθανο να αντικαταστήσουν τις πιο παραδοσιακές πλατφόρμες αλληλουχίας, όπως αυτές που παράγονται από τον ηγέτη της αγοράς, Illumina. Αυτές οι πλατφόρμες προσδιορισμού αλληλουχίας DNA είναι εξαιρετικά ακριβείς, καθιστώντας τις απαραίτητες για την ανάγνωση ενός ολόκληρου γονιδιώματος (μερικές φορές), κάτι που είναι απαραίτητο, για παράδειγμα, να προσδιοριστεί ποιες γενετικές παραλλαγές των ανθρώπων οδηγούν σε ασθένειες.

Αυτή η δουλειά δεν είναι αυτή τη στιγμή η δύναμη του Minion. Έχει ποσοστό σφάλματος περίπου 5 τοις εκατό, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει ένα σφάλμα ανάγνωσης κάθε 20 νουκλεοτίδια. Αυτό είναι υψηλό λαμβάνοντας υπόψη ότι η διαφορά μεταξύ δύο ατόμων είναι 0,1 τοις εκατό (μία παραλλαγή ανά 1.000 νουκλεοτίδια). Όμως, η ανάγνωση από το MinION είναι ακόμα αρκετά καλή για να τροφοδοτήσει τον αλγόριθμο που αναπτύξαμε για την ανάλυση της σκηνής του εγκλήματος. Αυτός ο αλγόριθμος υπολογίζει την πιθανότητα τα μαλλιά ή κάποιο άλλο υλικό που βρέθηκε σε μια σκηνή εγκλήματος να ταιριάζει με ένα άτομο σε μια ειδική βάση δεδομένων της αστυνομίας.

Για να καταλάβετε γιατί αυτό λειτουργεί ακόμη και με το υψηλό ποσοστό σφαλμάτων, φανταστείτε ότι σας δίνω το όνομα "Voldamord" και σας ζητώ να μου πείτε σε ποιο βιβλίο αναφέρομαι. Ίσως να αναγνωρίσετε ότι είναι ένα βιβλίο του Χάρι Πότερ επειδή έχετε μια βάση δεδομένων στο μυαλό σας που έχει διαμορφωθεί μέσω της ανάγνωσης, παρόλο που υπάρχουν τυπογραφικά λάθη στη λέξη που σας δίνω. Δεν χρειάζεται να ξαναδιαβάσετε ολόκληρο το βιβλίο 300 σελίδων ή να παρουσιάσετε το "Voldemort" ακριβώς σωστά. Η γονιδιωματική λειτουργεί σύμφωνα με την ίδια αρχή. Μόλις έχετε μια χρήσιμη βάση δεδομένων, χρειάζεστε μόνο μερικά πληροφοριακά θραύσματα DNA για να προσδιορίσετε ποια βακτηριακά είδη υπάρχουν στα δείγματα τουρσί ή μερικές φορές ακόμη και από το άτομο από το οποίο προήλθε το DNA.

Τώρα που πλησιάζει η εποχή της πανταχού παρούσα αλληλουχίας DNA, πρέπει να βελτιώσουμε τη γενετική παιδεία. Πώς χειριζόμαστε αυτά τα γονιδιωματικά «μεγάλα δεδομένα»; Για να απαντήσω σε τέτοιες ερωτήσεις, ο Γιάνιβλ Έρλιτς και εγώ ξεκινήσαμε ένα μάθημα που ονομάζεται Ubiquitous Genomics στο τμήμα επιστήμης υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Κολούμπια το 2015. Διδάξαμε στους μαθητές για αυτήν την τεχνολογία αιχμής και τους έκαναν να βιώσουν τις δυνατότητες. Οι μαθητές αλληλούχησαν το DNA με τα χέρια τους και ενθαρρύνθηκαν να αναπτύξουν υπολογιστικές μεθόδους για την ανάλυση των δεδομένων τους. Η επιτυχία αυτής της προσπάθειας στην «ολοκληρωμένη μάθηση» μας ενθάρρυνε να σκεφτούμε ότι θα μπορούσαμε να κάνουμε κάτι παρόμοιο για να εμπλέξουμε μαθητές στη γονιδιωματική και την ανάλυση δεδομένων. Ιδρύσαμε το PlayDNA με αυτόν τον σκοπό.

Μια κινηματογράφηση σε πρώτο πλάνο της μικροπιπέτας που χρησιμοποιείται με το MinION. (Ευγενική προσφορά της Oxford Nanopore)

Την ημέρα πριν από την έναρξη της πρώτης πιλοτικής τάξης του PlayDNA, ξεχώρισα μερικά συστατικά από το μεσημεριανό μου γεύμα που θα κατέληγαν αργότερα σε ένα μυστήριο δείγμα DNA που έπρεπε να αναγνωρίσουν οι μαθητές. Το PlayDNA παρέχει την υποδομή για τις αίθουσες διδασκαλίας που δεν χρειάζεται να ανησυχούν για την εξαγωγή DNA και την προετοιμασία των βιβλιοθηκών DNA, έτσι ώστε οι μαθητές να μπορούν να ξεκινήσουν την αλληλουχία του DNA αμέσως και να ερμηνεύσουν τα δεδομένα τους. Είκοσι 12χρονοι μαθητές, που πήραν μόνο μερικές ώρες εκπαίδευσης με μικροπιπέτα, αλληλουχούσαν με DNA όχι δύο ώρες μετά την άφιξή τους στην τάξη. Η μετατροπή βιολογικών πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο σε μεγάλα δεδομένα ζωντανεύει το θέμα. οι μαθητές ήταν πρόθυμοι να μάθουν ποια είδη θα μπορούσαν να εντοπιστούν στις ενδείξεις DNA που έβλεπαν. Η αποστολή τους για την επόμενη εβδομάδα ήταν να αναλύσουν τα δεδομένα και να προσδιορίσουν τα συστατικά και τις αναλογίες τους για το γεύμα μου. Σίγουρα, την επόμενη εβδομάδα μια ομάδα ρώτησε: "Sophie, έφαγες μια ντομάτα σαλάτα και λίγο πρόβειο κρέας για μεσημεριανό γεύμα;"

Είναι η τεχνολογία έτοιμη για τον πάγκο της κουζίνας σας; Θα καθυστερούσα να κάνω χώρο για λίγο. Χρειάζεται ακόμη κάποια τεχνογνωσία για τον χειρισμό των βημάτων πριν από την αλληλουχία, όπως το άνοιγμα των κυττάρων και το καθαρισμό του DNA. Ωστόσο, η Oxford Nanopore εργάζεται για τρόπους αυτοματοποίησης αυτών των βημάτων. Τελικά, μπορώ να προβλέψω μια οικογένεια όπου τα παιδιά χρησιμοποιούν ένα SmidgION για να παίξουν μια νέα έκδοση του Pokemon Go στο πάρκο με πραγματικά είδη, ενώ η μαμά ρωτάει τον μπαμπά: «Αγάπη μου, έφτιαξες το τραπέζι και ακολουθούσες την ακολουθία του λαζάνια;»

Η Sophie Zaaijer είναι μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Κέντρο Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης και διευθύνων σύμβουλος του PlayDNA, η οποία αναπτύσσει μαθήματα γονιδιωματικών δεδομένων για γυμνάσια, λύκεια και πανεπιστημιακή εκπαίδευση.