Гаджет, який робить послідовність ДНК дитячої гри

Мініон тріщинує відкритий біотехнологій для маси, як ПК демократизував обчислення. Що ми будемо робити з цією новою силою?

Мініон (люб’язно надано Оксфордському Нанопорі)

Я т вдень у вівторок, і Поппі, 12-річна дівчинка в Нью-Йорку, стоїть перед своїм класом і пояснює своїм ровесникам, як можна прочитати код життя, передаючи нитку ДНК через щось, що називається нанопор . У рамках програми PlayDNA, яку я співзасновником, студенти збирають огірки за останній тиждень. Вони виміряли рН рідини в банках соління і побачили, що кількість хмарних клітин збільшується вдвічі. І на відміну від поколінь наукових класів до них, вони брали зразки з банок, щоб ідентифікувати бактеріальні види за їх ДНК.

Настав час розкрити невидиме життя в їх солоних банках. Студенти збираються за столом і разом зі своїм вчителем кладуть справжній бактеріальний зразок ДНК у крихітний секвенсор ДНК, який просто підключається до USB-порту комп'ютера. Через хвилини перші зчитування ДНК з’являються в реальному часі на їх екрані.

Це можливо в середній школі через мініатюрний секвенсор ДНК під назвою MinION, виготовлений Oxford Nanopore Technologies. Я майже два роки використовую цей пристрій у нью-йоркському геномному центрі, де я досліджую, як його використовувати для повторної ідентифікації проб ДНК. Мій радник Янів Ерліх і я першими впровадили це в аудиторію Колумбійського університету, і тепер це частина нашої програми PlayDNA в місцевих школах. Я переконаний, що це є віхою в технології. Портативне секвенування ДНК дає змогу будь-кому, не лише вченим, бачити життя з більш високою роздільною здатністю, ніж це може забезпечити найпопулярніша камера - і навіть після того, як істота зникла. Ми можемо розширити своє бачення, щоб побачити всі види, а не лише ті, які видно неозброєним оком.

Мініон коштує 1000 доларів і є розміром цукерки. Він підключається до USB-порта портативного комп'ютера. Щоб він прочитав зразок ДНК, ви використовуєте мікропіпетку, щоб випустити «бібліотеку ДНК» (детальніше про це за хвилину) через отвір розміром у міліметр на MinION. Всередині пристрою розташовані нанопори, шишки трохи більше мільярда метрів, розміщені в мембрані. Стійкий іонний струм протікає через ці нанопори. Оскільки кожен нуклеотид (A, T, C або G) має унікальний молекулярний склад, кожен формується трохи інакше. Унікальна форма, що проходить через пори, певним чином перебиває іонний струм. Так само, як ми можемо зробити форму, аналізуючи її тінь на стіні, ми можемо зробити висновок про ідентичність нуклеотиду від порушень, які він викликає, до іонного струму. Ось так пристрій перетворює бази в біти, які передаються в комп'ютер.

Ілюстрація того, як ДНК і струм протікають через нанопору. (Автор: Оксфорд Нанопора)

Ми ще не в змозі безпосередньо мікропіпетом соку маринувати в Мініон. Для підготовки бібліотеки ДНК, яка секвенсована, необхідні декілька додаткових кроків. Спочатку потрібно розкрити клітини в солоному соку і очистити їх ДНК. Клітини всі різні - ви можете згадати з класу біології, що клітинні рослинні стінки виглядають на відміну від клітинних стінок бактерій, які не схожі на мембрани клітин ссавців - і для кожного типу клітин потрібен свій метод. Тоді очищену ДНК потрібно підготувати таким чином, щоб Мініон міг її фактично прочитати. Ці кроки для створення бібліотеки ДНК потребують машин, які ще не зручні для користувачів, які не є спеціалістом, включаючи мікроцентрофугу та термоцикл (у програмі Демократизація відбитків пальців ДНК ви можете бачити, як я виконую цю підготовку бібліотеки та послідовність ДНК на даху в Нью-Йорк). Але в майбутньому ці кроки також будуть зроблені в одному портативному мініатюрному пристрої.

Це відкриє поле. Люди зможуть використовувати Міньйон на своїх кухнях, щоб перевірити вміст готової лазаньї (чи дійсно вона містить яловичину чи це кінське м'ясо?) Або використовувати її для спостереження за збудниками та алергенами. Oxford Nanopore навіть планує піти на крок далі за допомогою SmidgION: секвенсера ДНК, який можна підключити до телефону.

Але ми все ще тільки починаємо бачити, що робитимуть люди з цією технологією. Вчені скористалися мобільністю Мініону для моніторингу біорізноманіття у віддалених районах, таких як сухі долини Макмурдо в Антарктиді. NASA використовує цей пристрій для моніторингу стану здоров'я космонавтів у космосі і може врешті використовувати його для візуалізації позаземного життя. Влада Кенії може незабаром перевірити, чи походить м'ясо від незаконного браконьєрства.

У нашій лабораторії в нью-йоркському геномному центрі ми розробили метод використання мініону на місцях злочинів. Ми подумали, що портативний секвенсор, який може дати результати за лічені хвилини, може дати слідчим почати ідентифікацію жертв чи підозрюваних. Традиційні криміналістичні методи можуть зайняти дні, іноді тижні. Це тому, що комусь належить транспортувати зразки з місця злочину до добре обладнаних лабораторій, де докази сидять у черзі, перш ніж запускати хоч дорогі машини.

Датчики послідовності нанопорів є доповненням до поля геноміки і навряд чи замінять більш традиційні платформи послідовності, як ті, що виробляються лідером ринку Illumina. Ці платформи секвенування ДНК надзвичайно точні, що робить їх незамінними для читання цілого генома (пару разів). Це саме те, що потрібно, скажімо, визначити, які генетичні зміни людей призводять до захворювань.

Така робота зараз не є силою Мініона. Він має рівень помилок приблизно 5 відсотків, що означає, що кожні 20 нуклеотидів мають одну помилку читання. Це велике враховуючи, що різниця між двома особинами становить 0,1 відсотка (одна варіація кожні 1000 нуклеотидів). Але зчитування від MinION все ще досить добре, щоб вписатися в алгоритм, розроблений нами для аналізу місця злочину. Цей алгоритм обчислює ймовірність того, що волосся чи інший матеріал, знайдений на місці злочину, відповідають особі в спеціальній базі даних поліції.

Щоб зрозуміти, чому це працює навіть з високим рівнем помилок, уявіть, що я даю вам ім'я "Волдамор", і попросіть сказати мені, про яку книгу я маю на увазі. Ви можете розпізнати, що це книга про Гаррі Поттера, оскільки у вас в голові є база даних, яка формується при читанні, навіть якщо в слові, яке я вам даю, є помилки друку. Вам не потрібно перечитувати всю книгу на 300 сторінок або пропонувати «Волдеморт» точно представлений. Геноміка працює за тим же принципом. Отримавши корисну базу даних, вам потрібні лише деякі інформативні фрагменти ДНК, щоб визначити, які бактеріальні види присутні у зразках соління, а іноді навіть від того, у кого людина походила ДНК.

Тепер, коли ера всюдисущого послідовності ДНК наближається, нам потрібно покращити генетичну грамотність. Як ми поводимося з геномними "великими даними"? Щоб вирішити подібні питання, янів Ерліх і я розпочали клас під назвою «всюдисуща геноміка» на кафедрі інформатики Колумбійського університету у 2015 році. Ми навчили студентів цій передовій технології та отримали їх досвід. Студенти секвенували ДНК своїми руками, і їм було запропоновано розробити обчислювальні методи аналізу своїх даних. Успіх цих зусиль у «інтегративному навчанні» спонукав нас думати, що ми можемо зробити щось подібне, щоб залучити школярів до геноміки та аналізу даних. З цією метою ми створили PlayDNA.

Крупним планом мікропіпета, що використовується з MinION. (Автор: Оксфорд Нанопора)

За день до початку першого пілотного класу PlayDNA я виділив пару інгредієнтів зі свого обіду, які згодом опиняться в таємничому зразку ДНК, який студенти мали визначити. PlayDNA забезпечує інфраструктуру для аудиторій, щоб не турбуватися про вилучення ДНК та підготовку бібліотек ДНК, тому студенти можуть розпочати послідовність ДНК відразу та інтерпретувати їх дані. Двадцять 12-річних студентів, які пройшли лише пару годин навчання мікропіпетам, проводили секвенування ДНК через дві години після прибуття до аудиторії. Перетворення біологічної інформації в реальному часі у великі дані оживляє предмет; студенти прагнули дізнатись, які види можна помітити у показаннях ДНК, які вони бачили. Їх завданням на наступний тиждень був аналіз даних та визначення інгредієнтів та їх співвідношень мого обіду. Звичайно, на наступному тижні одна група запитала: "Софі, ти їла томатний салат і трохи овечого м'яса на обід?"

Чи готова технологія для вашої кухонної стійки? Я б трохи затримався, щоб створити місце на деякий час. Досі потрібне певне ноу-хау для впорядкування кроків до послідовності, наприклад, розбиття клітин та очищення ДНК. Однак Oxford Nanopore працює над способами автоматизації цих кроків. Врешті-решт, я можу передбачити сім'ю, де діти використовують SmidgION, щоб грати в нову версію Pokemon Go в парку з реальними видами, а мама запитує тата: "Дорога, ти встановив стіл і чи ти послідував лазанью?"

Софі Заайєр - докторантура Нью-Йоркського геномного центру та генеральний директор PlayDNA, яка розробляє класи геномічних даних для середніх шкіл, середніх шкіл та університетської освіти.