Гаджет, который делает последовательность ДНК детской игры

MinION взламывает биотехнологии, как компьютер демократизирует компьютер. Что мы будем делать с этой вновь обретенной силой?

Миньон (предоставлено Оксфордским нанопором)

Во второй половине дня во вторник Поппи, 12-летняя девочка в Нью-Йорке, стоит перед своим классом и объясняет своим сверстникам, как можно прочитать код жизни, пропустив цепь ДНК через нечто, называемое нанопорой. , В рамках программы PlayDNA, которую я стал соучредителем, студенты на прошлой неделе собирали огурцы. Они измерили pH жидкости в банках с рассолом и по увеличивающейся облачности увидели, что количество бактериальных клеток удвоилось. И в отличие от поколений научных классов до них, они взяли образцы из банок, чтобы идентифицировать виды бактерий по их ДНК.

Пришло время раскрыть невидимую жизнь в их маринованных банках. Студенты собираются вокруг стола и вместе со своим учителем кладут настоящий образец бактериальной ДНК в крошечный секвенсор ДНК, который просто подключается к USB-порту компьютера. Через несколько минут первые считывания ДНК появляются на экране в режиме реального времени.

Это возможно в средней школе из-за миниатюрного секвенатора ДНК, названного MinION, изготовленного Oxford Nanopore Technologies. Я почти два года использую это устройство в Нью-Йоркском геномном центре, где я исследую, как использовать его для повторной идентификации образцов ДНК. Мой советник Янив Эрлих и я были первыми, кто внедрил его в классную комнату Колумбийского университета, и теперь это часть нашей программы PlayDNA в местных школах. Я убежден, что это представляет собой веху в технологии. Портативное секвенирование ДНК дает возможность любому человеку, а не только ученому, видеть жизнь с более высоким разрешением, чем может предложить самая причудливая камера - и даже после того, как существо исчезло. Мы можем расширить свое видение, чтобы увидеть все виды, а не только те, которые видны невооруженным глазом.

Миньон стоит 1000 долларов и размером с моноблок. Он подключается к USB-порту ноутбука. Чтобы он прочитал образец ДНК, вы используете микропипетку, чтобы пропустить «библиотеку ДНК» (подробнее об этом через минуту) через отверстие размером в миллиметр на MinION. Внутри устройства находятся нанопоры, шишки размером чуть более одной миллиардной метра, помещенные в мембрану. Постоянный ионный ток течет через эти нанопоры. Поскольку каждый нуклеотид (A, T, C или G) имеет уникальную молекулярную структуру, каждый из них имеет немного различную форму. Уникальная форма, проходящая через поры, прерывает ионный ток определенным образом. Подобно тому, как мы можем вывести форму, анализируя ее тень на стене, мы можем вывести идентичность нуклеотида по возмущениям, которые он вызывает ионному току. Так устройство преобразует базы в биты, которые передаются в компьютер.

Иллюстрация того, как ДНК и ток протекают через нанопоры. (Предоставлено Оксфордским нанопором)

Мы пока не можем напрямую засолить микропипетку с соком в MinION. Некоторые продвинутые шаги необходимы для подготовки библиотеки ДНК, которая секвенируется. Сначала нужно взломать клетки в рассоле и очистить их ДНК. Клетки все разные - вы можете вспомнить из урока биологии, что клеточные стенки растений выглядят не так, как клеточные стенки бактерий, которые отличаются от мембран клеток млекопитающих - и для каждого типа клеток необходим свой собственный метод. Затем очищенная ДНК должна быть подготовлена ​​таким образом, чтобы MinION действительно мог ее прочитать. Для выполнения этих шагов по созданию библиотеки ДНК требуются машины, которые еще не являются удобными для пользователя для неспециалиста, в том числе микроцентрифуга и термоциклер (в разделе Демократизация отпечатков пальцев ДНК вы можете увидеть, как я выполняю подготовку этой библиотеки и секвенируемость ДНК на крыше здания в Нью-Йорк). Но в будущем эти шаги также будут выполнены в одном портативном миниатюрном устройстве.

Это откроет поле. Люди смогут использовать MinION на своих кухнях, чтобы проверить содержимое своей готовой лазаньи (действительно ли она содержит говядину или это конина?) Или использовать его для наблюдения за патогенами и аллергенами. Oxford Nanopore даже планирует пойти еще дальше с SmidgION: секвенсором ДНК, который вы можете подключить к своему телефону.

Но мы все еще только начинаем понимать, что люди будут делать с этой технологией. Ученые воспользовались мобильностью MinION для мониторинга биоразнообразия в отдаленных районах, таких как сухие долины Мак-Мёрдо в Антарктике. НАСА использует устройство для мониторинга состояния здоровья астронавтов в космосе и может в конечном итоге использовать его для визуализации внеземной жизни. Власти Кении могут в ближайшее время проверить, является ли мясо незаконным браконьерством.

В нашей лаборатории в Центре генома в Нью-Йорке мы разработали метод использования MinION на месте преступления. Мы полагали, что портативный секвенсор, который может выдавать результаты за считанные минуты, мог бы помочь следователям идентифицировать жертв или подозреваемых. Традиционные методы судебной экспертизы могут занимать дни, а иногда и недели. Это связано с тем, что кому-то приходится перевозить образцы с мест преступления в хорошо оборудованные лаборатории, где доказательства стоят в очереди, прежде чем запускать дорогие машины.

Датчики секвенирования Nanopore являются дополнением к области геномики и вряд ли заменят более традиционные платформы секвенирования, подобные тем, которые производит лидер рынка Illumina. Эти платформы для секвенирования ДНК чрезвычайно точны, что делает их незаменимыми для считывания всего генома (пару раз), что необходимо, например, для определения того, какие генетические различия у людей приводят к заболеваниям.

Такая работа не является сильной стороной MinION. Уровень ошибок составляет примерно 5 процентов, что означает, что на каждые 20 нуклеотидов приходится одна ошибка чтения. Это высоко, учитывая, что разница между двумя индивидуумами составляет 0,1 процента (один вариант на каждые 1000 нуклеотидов). Но показания с MinION все еще достаточно хороши, чтобы использовать алгоритм, который мы разработали для анализа на месте преступления. Этот алгоритм вычисляет вероятность того, что волосы или другие материалы, найденные на месте преступления, соответствуют человеку в специальной базе данных полиции.

Чтобы понять, почему это работает даже при высокой частоте появления ошибок, представьте, что я даю вам имя «Voldamord» и прошу вас рассказать мне, на какую книгу я ссылаюсь. Возможно, вы узнаете, что это книга о Гарри Поттере, потому что у вас в голове есть база данных, созданная в результате чтения, хотя в слове, которое я вам даю, есть опечатки. Вам не нужно перечитывать всю 300-страничную книгу или представлять «Волдеморта» совершенно верно. Геномика работает по тому же принципу. Если у вас есть полезная база данных, вам понадобятся только некоторые информативные фрагменты ДНК, чтобы определить, какие виды бактерий присутствуют в образцах маринада, а иногда даже от какого человека произошла ДНК.

Теперь, когда эра повсеместного секвенирования ДНК приближается, мы должны улучшить генетическую грамотность. Как мы справляемся с этими геномными «большими данными»? Чтобы ответить на такие вопросы, в 2015 году мы с Янивом Эрлихом открыли класс под названием «Вездесущая геномика» на факультете компьютерных наук Колумбийского университета. Мы обучали студентов этой передовой технологии и позволяли им испытать свой потенциал. Студенты упорядочили ДНК своими руками, и им было предложено разработать вычислительные методы для анализа своих данных. Успех этих усилий в «интегративном обучении» побудил нас думать, что мы можем сделать что-то подобное, чтобы вовлечь школьников в геномику и анализ данных. Мы основали PlayDNA с этой целью.

Крупный план микропипетки, используемой с MinION. (Предоставлено Оксфордским нанопором)

За день до начала первого экспериментального урока PlayDNA я выделил из своего обеда несколько ингредиентов, которые впоследствии оказались в таинственном образце ДНК, который должны были идентифицировать студенты. PlayDNA предоставляет инфраструктуру для классных комнат, чтобы им не приходилось беспокоиться об извлечении ДНК и подготовке библиотек ДНК, поэтому ученики могут сразу начать секвенировать ДНК и интерпретировать свои данные. Двадцать 12-летних учеников, которые получили всего пару часов обучения микропипетке, секвенировали ДНК не спустя два часа после прибытия в класс. Преобразование биологической информации в большие данные в реальном времени оживляет субъекта; студенты стремились узнать, какие виды могут быть обнаружены в показаниях ДНК, которые они видели. Их назначение на следующую неделю состояло в том, чтобы проанализировать данные и определить компоненты и их соотношение моего обеда. Конечно, на следующей неделе одна группа спросила: «Софи, ты ела салат из помидоров и немного овечьего мяса на обед?»

Готова ли технология для вашей кухонной стойки? Я бы задержался на некоторое время. Требуется некоторое ноу-хау для обработки шагов до секвенирования, таких как открытие клеток и очистка ДНК. Тем не менее, Oxford Nanopore также разрабатывает способы автоматизации этих шагов. В конце концов, я могу предвидеть семью, где дети используют SmidgION для игры в новую версию Pokemon Go в парке с реальными видами, в то время как мама спрашивает папу: «Дорогая, ты накрыл стол и сделал последовательность лазаньи?»

Софи Заайер - соискатель докторской степени в Нью-йоркском геномном центре и генеральный директор PlayDNA, которая разрабатывает классы геномных данных для средних школ, средних школ и университетского образования.