Græjan sem gerir DNA-röð á barnaleik

MinION sprungurnar opna líftækni fyrir fjöldann á sama hátt og PC lýðræðisbundin tölvunarfræði. Hvað munum við gera við þetta nýfundna vald?

Minion (kurteisi Oxford Nanopore)

Ég er þriðjudagur eftir hádegi og Poppy, 12 ára stúlka í New York borg, stendur fyrir framan bekkinn sinn og útskýrir fyrir jafnöldrum sínum hvernig hægt er að lesa lífsreglurnar með því að koma DNA-strengi í gegnum eitthvað sem kallast nanopore . Sem hluti af PlayDNA, forriti sem ég stofnaði, hafa nemendur verið að súrna gúrkur undanfarna viku. Þeir hafa mælt sýrustig vökvans í súrum gúrkum og sáu af vaxandi skýinu að fjöldi bakteríufrumna var að tvöfaldast. Og ólíkt kynslóðum vísindaflokka á undan þeim hafa þeir tekið sýni úr krukkunum til að bera kennsl á bakteríutegundirnar með DNA þeirra.

Það er nú kominn tími til að afhjúpa hið ósýnilega líf í súrum gúrkum sínum. Nemendurnir safnast saman við borðið og settu, ásamt kennara sínum, raunverulegt DNA-sýni í örlítilli DNA röð sem tengist einfaldlega í USB tengi tölvunnar. Mínútum síðar birtist fyrsta DNA-lesningin í rauntíma á skjánum.

Þetta er mögulegt í menntaskóla vegna smáa DNA röðarans, kallaður MinION, gerður af Oxford Nanopore Technologies. Ég hef notað þetta tæki í næstum tvö ár í erfðamengjamiðstöðinni í New York, þar sem ég rannsaka hvernig á að nota það til að bera kennsl á DNA-sýni á ný. Ráðgjafi minn, Yaniv Erlich, og ég vorum fyrstir til að innleiða það í skólastofu í Columbia háskólanum, og nú er það hluti af PlayDNA áætluninni okkar í skólum á staðnum. Ég er sannfærður um að það táknar tímamót í tækni. Flytjanleg DNA raðgreining gerir öllum, ekki bara vísindamönnum, kleift að sjá lífið í hærri upplausn en fínasta myndavélin getur veitt - og jafnvel eftir að skepna er horfin. Við getum víkkað sýn okkar til að sjá allar tegundir, ekki bara þær sem eru með berum augum.

MinION kostar $ 1.000 og er á stærð við nammibar. Það tengist við USB tengi fartölvu. Til að láta það lesa DNA-sýni notarðu smárit til að sleppa „DNA bókasafni“ (meira um það á einni mínútu) í gegnum millimetra stóra op á MinION. Inni í tækinu eru nanopores, keilur rúmur milljarðs metra breiður, settir í himna. Stöðugur jónstraumur streymir um þessar nanópórur. Þar sem hvert kjarni (A, T, C eða G) er með einstaka sameindamyndun er hver og einn lagaður svolítið öðruvísi. Hin einstaka lögun sem liggur í gegnum svitaholuna truflar jónstrauminn á ákveðinn hátt. Rétt eins og við getum ályktað um lögun með því að greina skugga þess á vegg, getum við ályktað hver kjarni er frá truflunum sem það veldur jónstraumnum. Svona breytir tækið bækistöðvum í bita sem streyma inn í tölvu.

Líking á því hvernig DNA og straumur streyma í gegnum nanopore. (Með tilliti til Oxford Nanopore)

Við erum ekki ennþá fær um að beint örpípa súrum gúrkusafa í MinION. Nokkur framhaldsskref eru nauðsynleg til að útbúa DNA bókasafnið sem er raðgreint. Fyrst verður þú að sprunga opna frumurnar í súrum gúrkusafa og hreinsa DNA þeirra. Frumur eru allt frábrugðnar - þú gætir munað eftir líffræðiflokknum að plöntufrumuveggir líta út eins og gerlafrumuveggir, sem eru ólíkt himnum spendýrafrumna - og hver frumugerð krefst eigin aðferðar. Þá þarf að útbúa hreinsað DNA á þann hátt að MinION geti raunverulega lesið það. Þessi skref til að búa til DNA bókasafnið krefjast véla sem eru ekki enn notendavænar fyrir þá sem ekki eru sérfræðingar, þar á meðal örskiljun og hitameðaltæki (á Democratizing DNA Fingerprinting geturðu séð mig framkvæma þetta bókasafn prep og DNA raðgreiningar á þaki í Nýja Jórvík). En í framtíðinni verða þessi skref einnig gerð í einu flytjanlegu litlu tæki.

Þetta mun opna svæðið. Fólk mun geta notað MinION í eldhúsunum sínum til að sannreyna innihald tilbúins lasagna (inniheldur það virkilega nautakjöt eða er þetta hestakjöt?) Eða nota það til að fylgjast með sýkla og ofnæmisvaka. Oxford Nanopore ætlar jafnvel að ganga einu skrefi lengra með SmidgION: DNA röð sem þú getur tengt símann þinn.

En við erum samt aðeins farin að sjá hvað fólk mun gera við þessa tækni. Vísindamenn hafa nýtt sér færni MinION til að fylgjast með líffræðilegum fjölbreytileika á afskekktum svæðum eins og McMurdo Dry Valleys Antartica. NASA notar tækið til að fylgjast með heilsufari geimfaranna í geimnum og gæti að lokum notað það til að gera sjón geimvera. Yfirvöld í Kenýa gætu fljótlega kannað samstundis hvort kjöt komi frá ólöglegum veiðiþjófum.

Í rannsóknarstofu okkar í erfðamiðstöðinni í New York þróuðum við aðferð til að nota MinION á glæpasviðum. Við reiknuðum með að flytjanlegur sequencer, sem getur skilað árangri á nokkrum mínútum, gæti gefið rannsóknarmönnum forskot á að bera kennsl á fórnarlömb eða grunaða. Hefðbundnar réttaraðferðir geta tekið daga, stundum vikur. Það er vegna þess að einhver þarf að flytja sýnin frá glæpasviðum til vel útbúinna rannsóknarstofa þar sem sönnunargögnin sitja í biðröð áður en þau eru keyrð þó dýrar vélar.

Nanopore raðgreiningarskynjarar eru viðbót við erfðafræði sviði og er ólíklegt að þeir komi í stað hefðbundnari raðpallana, eins og þeir sem framleiddir eru af markaðsleiðtoganum, Illumina. Þessir DNA raðgreiningarpallar eru afar nákvæmir, sem gerir þá ómissandi til að lesa heilt erfðamengi (nokkrum sinnum), sem er það sem þarf til að segja til að ákvarða hvaða erfðabreytileiki fólks leiðir til sjúkdóma.

Svona vinna er ekki styrkur MinION eins og er. Það hefur skekkjuhlutfallið u.þ.b. 5 prósent, sem þýðir að það er ein lestrarskekkja á 20 kjarni. Það er mikill í ljósi þess að munurinn á milli tveggja einstaklinga er 0,1 prósent (eitt afbrigði á hverja 1.000 núkleótíð). En aflesturinn frá MinION er samt nógu góður til að renna inn í reikniritið sem við þróuðum til greiningar á glæpasviðum. Þessi reiknirit reiknar líkurnar á því að hár eða annað efni sem finnast á vettvangi glæpa samsvari einstaklingi í sérstökum gagnagrunni lögreglu.

Til að skilja hvers vegna þetta virkar jafnvel með háu villuhlutfallinu, ímyndaðu þér að ég gefi þér nafnið "Voldamord" og bið þig að segja mér hvaða bók ég er að vísa til. Þú kannast kannski við að það er bók Harry Potter vegna þess að þú ert með gagnagrunn í höfðinu sem hefur myndast með lestri, jafnvel þó að það séu til prentvillur í orðinu sem ég gef þér. Þú þarft ekki að lesa alla 300 blaðsíðna bókina aftur eða fá „Voldemort“ fram nákvæmlega rétt. Erfðafræði virkar samkvæmt sömu meginreglu. Þegar þú hefur verið gagnlegur gagnagrunnur þarftu aðeins nokkur upplýsandi DNA brot til að bera kennsl á hvaða bakteríutegundir eru í súrum gúrkusýnum eða stundum jafnvel hvaða manneskja DNA kom frá.

Nú þegar tímum alls staðar nálægur DNA röð er að verða nær, þurfum við að bæta erfðafræðilega læsi. Hvernig meðhöndlum við þessa erfðafræðilega „stóru gögn“? Til að taka á slíkum spurningum hófum ég og Yaniv Erlich námskeið sem kallast Ubiquitous Genomics í tölvunarfræðideild Columbia háskólans árið 2015. Við kenndum nemendum um þessa háþróaða tækni og fengum þá til að upplifa möguleikana. Nemendurnir raðgreindu DNA með eigin höndum og voru hvattir til að þróa reikniaðferðir til að greina gögn sín. Árangurinn af þessu átaki í „samþætt nám“ hvatti okkur til að hugsa um að við gætum gert eitthvað svipað til að taka skólabörn þátt í erfðafræði og gagnagreiningum. Við stofnuðum PlayDNA með það markmið.

Nærmynd örgjörvans sem notuð var með MinION. (Með tilliti til Oxford Nanopore)

Daginn fyrir upphaf fyrsta PlayDNA flugmannatímabilsins setti ég í sundur nokkur hráefni úr hádegismatnum mínum sem seinna myndu lenda í leyndardóms DNA sýni sem nemendur urðu að bera kennsl á. PlayDNA veitir grunngerð fyrir kennslustofur til að þurfa ekki að hafa áhyggjur af því að vinna úr DNA og útbúa DNA bókasöfnin, svo nemendur geti byrjað að raðgreina DNA strax og túlka gögn sín. Tuttugu 12 ára nemendur, sem fengu aðeins nokkrar klukkustundir af öræfakennslu, voru að raðgreina DNA ekki tveimur klukkustundum eftir að þeir komu í skólastofuna. Rauntíma umbreyting líffræðilegra upplýsinga í stór gögn lífgar viðfangsefnið; voru nemendur ákafir að vita hvaða tegundir mætti ​​koma auga á í DNA-upplestrunum sem þeir sáu. Verkefni þeirra næstu vikuna var að greina gögnin og greina innihaldsefnin og hlutföll þeirra í hádegismatnum mínum. Jú viss, vikuna eftir spurði einn hópur: „Sophie, borðaðir þú tómatsalat og smá kindakjöt í hádeginu?“

Er tæknin tilbúin fyrir eldhúsborðið þitt? Ég myndi halda áfram að búa til pláss um stund. Það þarf samt nokkra þekkingu til að takast á við skrefin áður en röðin er gerð, svo sem að brjóta frumurnar og hreinsa DNA. Oxford Nanopore vinnur þó að leiðum til að gera sjálfvirkan þessi skref líka. Að lokum get ég séð fyrir fjölskyldu þar sem krakkarnir eru að nota SmidgION til að spila nýja útgáfu af Pokemon Go í garðinum með alvöru tegundum, meðan mamma spyr pabba: „Darling, settir þú borðið og gerðir þú lasagna?

Sophie Zaaijer er doktorsnemi í erfðamiðstöðinni í New York og forstjóri PlayDNA, sem er að þróa erfðagreiningar fyrir miðskóla, menntaskóla og háskólamenntun.