Vegël që bën lojën e sekuencave të ADN-së

Minion plas bioteknologjinë e hapur për masat në mënyrën se si kompjuteri demokratizoi kompjuterin. Farë do të bëjmë me këtë fuqi të re?

MINION (Mirësjellja e Oksfordit Nanopore)

Unë jam një pasdite e së martës dhe Poppy, një vajzë 12-vjeçare në New York City, qëndron para klasës së saj dhe u shpjegon bashkëmoshatarëve të saj se si mund të lexohet kodi i jetës duke kaluar një fije ADN përmes diçkaje të quajtur nanopore . Si pjesë e PlayDNA, një program që unë e themelova, studentët kanë bërë turshi kastravecat për javën e kaluar. Ata kanë matur pH-në e lëngut në kavanozat e turshive dhe panë nga rethi në rritje se numri i qelizave bakteriale ishte duke u dyfishuar. Dhe, ndryshe nga gjeneratat e klasave të shkencës para tyre, ata kanë marrë mostra nga kavanoza për të identifikuar speciet bakteriale nga ADN-ja e tyre.

Tani është koha për të zbuluar jetën e padukshme në kavanozat e tyre të turshive. Studentët mblidhen rreth tryezës dhe, së bashku me mësuesin e tyre, vendosin një mostër të vërtetë të baktereve të ADN-së në një sekuencer të vogël të ADN-së, i cili thjesht futet në portën USB të një kompjuteri. Pak minuta më vonë, leximet e para të ADN-së shfaqen në kohë reale në ekranin e tyre.

Kjo është e mundur në një shkollë të mesme për shkak të sekuencuesit të ADN-së, të quajtur Minion, të bërë nga Oxford Nanopore Technologies. Unë e kam përdorur këtë pajisje për gati dy vjet në Qendrën e Gjenomeve të Nju Jorkut, ku kërkoj si ta përdor atë për të identifikuar përsëri mostrat e ADN-së. Këshilltari im, Yaniv Erlich, dhe unë ishim të parët që e zbatuam atë në një klasë të Universitetit Columbia, dhe tani është pjesë e programit tonë PlayDNA në shkollat ​​lokale. Jam i bindur që paraqet një moment historik në teknologji. Sekuencimi i lëvizshëm i ADN-së mundëson këdo, jo vetëm shkencëtarët, të shohin jetën në një rezolucion më të lartë se sa mund të sigurojë kamera më e bukur - dhe madje edhe pasi një krijesë është zhdukur. Ne mund ta zgjerojmë vizionin tonë për të parë të gjitha speciet, jo vetëm ato që janë të dukshme me sy të lirë.

Minion kushton 1.000 dollarë dhe është madhësia e një shije karamele. Ajo lidhet me portin USB të një kompjuteri laptop. Për ta lexuar një mostër të ADN-së, përdorni një mikropipetë për të hedhur një "bibliotekë ADN" (më shumë në atë në një minutë) përmes një hapjeje të madhësisë milimetër në MINION. Brenda pajisjes janë nanopore, kone pak më shumë se një miliard e një metër të gjerë, të vendosur në një cipë. Një rrymë jonike e qëndrueshme rrjedh nëpër këto nanopore. Meqenëse çdo nukleotid (A, T, C ose G) ka një përbërje molekulare unike, secila prej tyre formësohet paksa ndryshe. Forma unike që kalon nëpër pore ndërpret rrymën jonike në një mënyrë specifike. Ashtu siç mund të konstatojmë një formë duke analizuar hijen e saj në një mur, mund të konstatojmë identitetin e një nukleotidi nga shqetësimet që shkakton në rrymën e jonit. Kjo është mënyra se si pajisja konverton bazat në bitet që derdhen në kompjuter.

Një ilustrim se si ADN dhe një rrymë rrjedhin përmes një nanopore. (Mirësjellja e Oksfordit Nanopore)

Ne nuk jemi ende në gjendje të drejtpërdrejtë mikropipetën e lëngut të turshisë në Minion. Disa hapa të avancuar janë të nevojshme për të përgatitur bibliotekën e ADN-së që është renditur. Së pari ju duhet të plasni qelizat në lëng turshi dhe të pastroni ADN-në e tyre. Qelizat janë të gjitha të ndryshme - mund të kujtoni nga klasa e biologjisë që muret e qelizave bimore duken ndryshe nga muret e qelizave bakteriale, të cilat janë ndryshe nga membranat e qelizave të gjitarëve - dhe secila lloj qelizash kërkon metodën e vet. Pastaj, ADN-ja e pastruar duhet të përgatitet në atë mënyrë që Minion të mund ta lexojë atë. Këto hapa për të krijuar bibliotekën e ADN-së kërkojnë makina që nuk janë akoma miqësore për një jo-specialist, duke përfshirë një mikro-centrifugues dhe termo-cikler (në Demokratizimin e ADN-së së gjurmëve të shtypjes ju mund të shihni mua duke kryer këtë bibliotekë të përgatitur dhe sekuencat e ADN-së në një çati në Qyteti i Nju Jorkut). Por në të ardhmen, këto hapa do të bëhen gjithashtu në një pajisje të vetme, portative miniaturë.

Kjo do të hapë fushën. Njerëzit do të jenë në gjendje të përdorin MINION në kuzhinat e tyre për të verifikuar përmbajtjen e lasagna të tyre të gatshme (a përmban me të vërtetë viçi apo është ai i kalit?) Ose e përdorin atë për mbikëqyrje të patogjenëve dhe alergeneve. Oxford Nanopore madje po planifikon të shkojë një hap më tej me SmidgION: një sekuestrues i ADN-së që mund ta futni në telefonin tuaj.

Por ne jemi akoma vetëm fillimi për të parë se çfarë do të bëjnë njerëzit me këtë teknologji. Shkencëtarët kanë përfituar nga transportueshmëria e MINION për të monitoruar biodiversitetin në zona të thella siç janë luginat e thata McMurdo të Antartica. NASA po përdor pajisjen për të monitoruar gjendjen shëndetësore të astronautëve në hapësirë ​​dhe përfundimisht mund ta përdorë atë për të vizualizuar jetën jashtëtokësore. Autoritetet në Kenia së shpejti mund të kontrollojnë menjëherë nëse mishi vjen nga copëzimi i paligjshëm.

Në laboratorin tonë në New York Genome Center ne hartuam një metodë për të përdorur Minion në skenat e krimit. Ne e kuptuam që një sekuestrues i lëvizshëm, i cili mund të japë rezultate në minuta, mund t'u japë hetuesve një fillim për të identifikuar viktimat ose të dyshuarit. Metodat tradicionale të mjekësisë ligjore mund të zgjasin ditë, ndonjëherë me javë. Kjo pasi dikush duhet të transportojë mostrat nga skenat e krimit në laboratorë të pajisur mirë, ku provat ulen në një radhë para se të vrapohen edhe pse makina të shtrenjta.

Sensorët e renditjes së nanopores janë një shtesë në fushën e gjenomikës dhe nuk ka gjasa të zëvendësojnë platformat më tradicionale të sekuencave, si ato të prodhuara nga udhëheqësi i tregut, Illumina. Ato platforma të sekuencave të ADN-së janë jashtëzakonisht të sakta, duke i bërë ato të domosdoshme për të lexuar një gjenom të tërë (nja dy herë), që është ajo që duhet të themi, për të përcaktuar se cilat variacione gjenetike tek njerëzit çojnë në sëmundje.

Kjo lloj pune nuk është aktualisht forca e Minion. Ka një shkallë gabimi afërsisht 5 përqind, që do të thotë se ka një gabim leximi në çdo 20 nukleotide. Shtë e lartë duke marrë parasysh që diferenca midis dy individëve është 0,1 përqind (një variacion në çdo 1.000 nukleotide). Por leximi nga Minion është akoma mjaft i mirë për tu futur në algoritëm që kemi zhvilluar për analizën e skenës së krimit. Ky algoritëm llogarit probabilitetin që flokët ose ndonjë material tjetër i gjetur në një skenë krimi përputhet me një individ në një bazë të dhënash speciale të policisë.

Për të kuptuar pse funksionon kjo edhe me shkallën e lartë të gabimit, imagjinoni që unë ju jap emrin "Voldamord" dhe t'ju kërkoj të më thoni se në cilin libër po i referohem. Ju mund ta kuptoni se është një libër Harry Potter sepse keni një bazë të dhënash në kokën tuaj që është formuar përmes leximit, edhe pse ka tipe në fjalën që po ju jap. Ju nuk keni nevojë të rilexoni të gjithë librin me 300 faqe ose ta paraqisni "Voldemort" saktësisht. Gjenomika funksionon përgjatë të njëjtit parim. Pasi të keni një bazë të dhënash të dobishme, ju duhet vetëm disa fragmente informuese të ADN-së për të identifikuar se cilat specie bakteriale janë të pranishme në mostrat e turshisë ose ndonjëherë edhe nga cili person ka ardhur ADN-ja.

Tani që epoka e sekuencave të ADN-së gjithëpërfshirëse po afrohet, duhet të përmirësojmë shkrim-leximin gjenetik. Si i trajtojmë këto “të dhëna të mëdha” gjenomike? Për të adresuar pyetje të tilla, Yaniv Erlich dhe unë filluam një klasë të quajtur Genomics Ubiquitous në departamentin e shkencës kompjuterike të Universitetit Columbia në 2015. Ne i mësuam studentët në lidhje me këtë teknologji të përparuar dhe i morëm ata të provojnë potencialin. Studentët sekuencuan ADN-në me duart e tyre dhe u inkurajuan të zhvillojnë metoda llogaritëse për të analizuar të dhënat e tyre. Suksesi i kësaj përpjekje në “mësimin integrues” na inkurajoi të mendonim se mund të bënim diçka të ngjashme për të përfshirë nxënësit e shkollës në gjenomikë dhe në analizën e të dhënave. Ne themeluam PlayDNA me atë qëllim.

Një mbyllje e mikropipetës e përdorur me MINION. (Mirësjellja e Oksfordit Nanopore)

Një ditë para fillimit të klasës së parë të pilotëve të PlayDNA, veçova disa përbërës nga dreka ime, e cila më vonë do të përfundonte në një mostër të misterit të ADN-së që studentët duhej të identifikonin. PlayDNA siguron infrastrukturën që klasa të mos ketë shqetësime për nxjerrjen e ADN-së dhe përgatitjen e bibliotekave të ADN-së, në mënyrë që studentët të fillojnë menjëherë sekuencën e ADN-së dhe interpretimin e të dhënave të tyre. Njëzet studentë 12-vjeçarë, të cilët morën vetëm disa orë trajnim në mikropipeta, po rendisnin ADN-në jo dy orë pasi arritën në klasë. Shndërrimi në kohë reale i informacionit biologjik në të dhëna të mëdha gjallëron temën; studentët mezi prisnin të dinin se cilat specie mund të ndoteshin në leximet e ADN-së që po shihnin. Detyra e tyre për javën në vijim ishte të analizojnë të dhënat dhe të identifikojnë përbërësit dhe raportet e tyre të drekës sime. Sigurisht, javën tjetër, një grup pyeti: "Sophie, a hëngët për drekë një sallatë me domate dhe disa mish delesh?"

A është teknologjia e gatshme për banakun tuaj të kuzhinës? Unë do të heshtja për të bërë hapësirë ​​për një kohë. Akoma duhet disa njohuri për të trajtuar hapat para renditjes, si thyerja e qelizave të hapura dhe pastrimi i ADN-së. Oxford Nanopore është duke punuar në mënyra për të automatizuar këto hapa, megjithatë, megjithatë. Përfundimisht, unë mund të parashikoj një familje ku fëmijët janë duke përdorur një SmidgION për të luajtur një version të ri të Pokemon Go në park me specie të vërteta, ndërsa nëna pyet babanë: "E dashur, a keni vendosur tryezën dhe a keni renditur radhën e lasagna?"

Sophie Zaaijer është një bashkëpunëtore postdoktorale në New York Genome Center dhe CEO e PlayDNA, e cila po zhvillon klasa të të dhënave gjenomike për shkollat ​​e mesme, shkollat ​​e mesme dhe arsimin universitar.