Ang Gadget na Gumagawa ng DNA Pagsamsam sa Paglaro ng Bata

Binubuksan ng mga bitak ng MinION ang biotech sa masa sa paraan ng pag-demokrasya ng computing sa PC. Ano ang gagawin natin sa newfound power na ito?

Ang Minion (Kagandahang-loob ng Oxford Nanopore)

Ako ay isang Martes ng hapon at si Poppy, isang 12 taong gulang na batang babae sa New York City, ay nakatayo sa harap ng kanyang klase at ipinapaliwanag sa kanyang mga kapantay kung paano mababasa ang code ng buhay sa pamamagitan ng pagpasa ng isang strand ng DNA sa isang bagay na tinatawag na nanopore . Bilang bahagi ng PlayDNA, isang programa na itinatag ko, ang mga mag-aaral ay nag-pickling ng mga pipino sa nakaraang linggo. Sinusukat nila ang pH ng likido sa mga banga ng pickle at nakita mula sa pagtaas ng kadiliman na ang pagdami ng mga selula ng bakterya ay doble. At hindi katulad ng mga henerasyon ng mga klase ng agham sa harap nila, kumuha sila ng mga sample mula sa mga garapon upang makilala ang mga species ng bakterya sa pamamagitan ng kanilang DNA.

Panahon na upang ibunyag ang hindi nakikita na buhay sa kanilang mga atsara na pickle. Ang mga mag-aaral ay nagtitipon sa paligid ng mesa at, kasama ang kanilang guro, ay naglagay ng isang tunay na sample ng bakterya ng DNA sa isang maliit na DNA na tagapagsunod-sunod, na pumapasok lamang sa USB port ng isang computer. Mga minuto mamaya ang unang pagbabasa ng DNA ay lilitaw sa totoong oras sa kanilang screen.

Posible ito sa isang gitnang paaralan dahil sa miniature na DNA sequencer, na tinatawag na Minion, na ginawa ng Oxford Nanopore Technologies. Halos dalawang taon kong ginagamit ang aparatong ito sa New York Genome Center, kung saan sinaliksik ko kung paano gamitin ito para sa muling pagkakakilanlan ng mga sample ng DNA. Ang aking tagapayo, si Yaniv Erlich, at ako ang unang nagpatupad nito sa isang silid-aralan sa Columbia University, at ngayon bahagi ito ng aming programa sa PlayDNA sa mga lokal na paaralan. Kumbinsi ako na kumakatawan ito sa isang milestone sa teknolohiya. Ang pagkakasunud-sunod ng portable DNA ay nagbibigay kapangyarihan sa sinuman, hindi lamang mga siyentipiko, upang makita ang buhay sa isang mas mataas na resolusyon kaysa sa fanciest camera ay maaaring magbigay - at kahit na matapos ang isang nilalang ay nawala. Maaari naming mapalawak ang aming pangitain upang makita ang lahat ng mga species, hindi lamang ang nakikita sa hubad na mata.

Ang Minion ay nagkakahalaga ng $ 1,000 at ang laki ng isang kendi bar. Kumokonekta ito sa USB port ng computer ng laptop. Upang mabasa ito ng isang sample ng DNA, gumagamit ka ng isang micropipette upang ibagsak ang isang "library ng DNA" (higit pa sa isang minuto) sa pamamagitan ng isang pagbubukas ng isang laki ng milimetro sa Minion. Sa loob ng aparato ay mga nanopores, cones lamang ng higit sa isang bilyong isang metro ang lapad, na inilagay sa isang lamad. Ang isang matatag na kasalukuyang kasalukuyang dumadaloy sa mga nanopores na ito. Yamang ang bawat nucleotide (A, T, C o G) ay may natatanging molekular na pampaganda, ang bawat isa ay may maliit na pagkakaiba. Ang natatanging hugis na dumadaan sa butas ay nakakagambala sa kasalukuyang kasalukuyang sa isang tiyak na paraan. Tulad ng maaari nating ibawas ang isang hugis sa pamamagitan ng pagsusuri ng anino nito sa isang dingding, maaari nating ibawas ang pagkakakilanlan ng isang nucleotide mula sa mga kaguluhan na dulot nito sa kasalukuyang ion. Ito ay kung paano ang aparato ay nag-convert ng mga base sa mga bits na dumadaloy sa isang computer.

Isang paglalarawan kung paano dumadaloy ang DNA at isang kasalukuyang dumadaloy sa isang nanopore. (Paggalang ng Oxford Nanopore)

Hindi pa namin direktang magagawang micropipette pickle juice sa Minion. Ang ilang mga advanced na hakbang ay kinakailangan upang ihanda ang library ng DNA na sunud-sunod. Una kailangan mong i-crack buksan ang mga cell sa pickle juice at linisin ang kanilang DNA. Ang lahat ng mga cell ay magkakaiba - maaaring maalala mo mula sa klase ng biology na ang mga halaman ng cell cell ay mukhang hindi tulad ng mga pader ng bakterya, na hindi katulad ng mga lamad ng mga mammal na selula - at ang bawat uri ng cell ay nangangailangan ng sariling pamamaraan. Pagkatapos, ang dalisay na DNA ay kailangang maging handa sa paraang mabasa ito ng Minion. Ang mga hakbang na ito upang lumikha ng library ng DNA ay nangangailangan ng mga makina na hindi pa user-friendly para sa isang di-dalubhasa, kabilang ang isang micro-centrifuge at thermo cycler (sa Democratizing DNA Fingerprinting maaari mong makita ako na nagsasagawa ng prep sa aklatang ito at pag-uutos ng DNA sa isang rooftop sa New York City). Ngunit sa hinaharap, ang mga hakbang na ito ay gagawin din sa isang solong, portable na miniature na aparato.

Bubuksan nito ang bukid. Magagamit ng mga tao ang Minion sa kanilang mga kusina upang mapatunayan ang mga nilalaman ng kanilang yari na lasagna (naglalaman ba talaga ito ng karne ng baka o ang horsemeat?) O gamitin ito para sa pagsubaybay ng mga pathogens at allergens. Ang Oxford Nanopore ay nagbabalak kahit na isang hakbang pa kasama ang SmidgION: isang DNA sequencer na maaari mong mai-plug sa iyong telepono.

Ngunit nagsisimula pa rin kaming makita kung ano ang gagawin ng mga tao sa teknolohiyang ito. Sinamantala ng mga siyentipiko ang kakayahang magamit ng MinION upang masubaybayan ang biodiversity sa mga liblib na lugar tulad ng McMurdo Dry Valleys ng Antartica. Ang NASA ay gumagamit ng aparato upang masubaybayan ang katayuan ng kalusugan ng mga astronaut sa kalawakan at maaaring magamit ito sa kalaunan upang mailarawan ang extraterrestrial na buhay. Maaaring masuri agad ng mga awtoridad sa Kenya kung ang karne ay nagmula sa iligal na poaching.

Sa aming lab sa New York Genome Center gumawa kami ng isang paraan upang magamit ang Minion sa mga eksena sa krimen. Nalaman namin na ang isang portable sequencer, na maaaring makapaghatid ng mga resulta sa ilang minuto, ay maaaring magbigay sa mga investigator na magsimula sa pagkilala sa mga biktima o mga suspek. Ang mga tradisyonal na pamamaraan ng forensic ay maaaring tumagal ng mga araw, minsan linggo. Iyon ay dahil ang isang tao ay kailangang magdala ng mga sample mula sa mga eksena sa krimen hanggang sa mga mahusay na gamit na mga laboratoryo, kung saan ang ebidensya ay nakaupo sa isang pila bago tumakbo kahit na mamahaling mga makina.

Ang mga sensor ng sunud-sunod na Nanopore ay isang karagdagan sa larangan ng genomics at malamang na hindi mapalitan ang mas tradisyonal na mga platform ng pagkakasunud-sunod, tulad ng mga ginawa ng pinuno ng merkado, ang Illumina. Ang mga platform ng pagkakasunud-sunod ng DNA ay lubos na tumpak, na ginagawang hindi kinakailangan para sa pagbabasa ng isang buong genome (ilang beses), na kung ano ang kinakailangan upang, sabihin, matukoy kung aling genetic variations sa mga tao ang humahantong sa mga sakit.

Ang ganoong uri ng trabaho ay hindi kasalukuyang lakas ng Minion. Mayroon itong rate ng error na humigit-kumulang na 5 porsyento, na nangangahulugang mayroong isang error sa pagbasa sa bawat 20 na mga nucleotides. Iyon ay mataas na isinasaalang-alang na ang pagkakaiba sa pagitan ng dalawang indibidwal ay 0.1 porsyento (isang pagkakaiba-iba bawat 1,000 na mga nucleotide). Ngunit ang pagbabasa mula sa Minion ay mabuti pa rin upang pakainin ang algorithm na binuo namin para sa pagsusuri sa krimen-eksena. Kinokolekta ng algorithm na ito ang posibilidad na ang buhok o ilang iba pang materyal na natagpuan sa isang eksena sa krimen ay tumutugma sa isang indibidwal sa isang espesyal na database ng pulisya.

Upang maunawaan kung bakit ito gumagana kahit na may mataas na rate ng pagkakamali, isipin na binigyan kita ng pangalang "Voldamord" at hilingin sa iyo na sabihin sa akin kung anong aklat ang tinutukoy ko. Maaari mong makilala na ito ay isang Harry Potter libro dahil mayroon kang isang database sa iyong ulo na nabuo sa pamamagitan ng pagbabasa, kahit na mayroong mga typo sa salitang binibigay ko sa iyo. Hindi mo na kailangang basahin muli ang buong 300-pahina ng libro o makakuha ng "Voldemort" na ipinakita nang wasto. Gumagana ang genomics kasama ang parehong prinsipyo. Kapag mayroon kang isang kapaki-pakinabang na database, kailangan mo lamang ng ilang mga impormasyon na mga fragment ng DNA upang makilala kung aling mga bakterya na species ang naroroon sa mga pickle sample o kung minsan kahit na kung saan nagmula ang DNA.

Ngayong malapit na ang panahon ng nakasanayan na pagkakasunud-sunod ng DNA, kailangan nating pagbutihin ang genetic literacy. Paano natin hahawak ang genomic na "malaking data" na ito? Upang matugunan ang mga naturang katanungan, sinimulan namin ni Yaniv Erlich ang isang klase na tinawag na Ubiquitous Genomics sa departamento ng science sa computer ng Columbia University noong 2015. Itinuro namin ang mga mag-aaral tungkol sa teknolohiyang paggupit at nakuha silang makaranas ng potensyal. Ang mga mag-aaral ay sumunod sa DNA gamit ang kanilang sariling mga kamay, at hinikayat na bumuo ng mga pamamaraan sa pagkalkula upang pag-aralan ang kanilang data. Ang tagumpay ng pagsisikap na ito sa "integrative learning" ay naghikayat sa amin na isipin na maaari kaming gumawa ng isang bagay na katulad upang makisali ang mga mag-aaral sa genomics at pagsusuri ng data. Itinatag namin ang PlayDNA na may pakay na iyon.

Isang pagsara ng mikropono na ginamit sa Minion. (Paggalang ng Oxford Nanopore)

Ang araw bago ang pagsisimula ng unang klase ng piloto ng PlayDNA, nagtabi ako ng isang pares ng mga sangkap mula sa aking tanghalian na kalaunan ay magtatapos sa isang misteryo na sample ng DNA na dapat kilalanin ng mga mag-aaral. Nagbibigay ang PlayDNA ng imprastraktura para sa mga silid-aralan na hindi dapat mag-alala tungkol sa pagkuha ng DNA at paghahanda ng mga aklatan ng DNA, kaya maaaring simulan ng mga mag-aaral ang pagkakasunod-sunod ng DNA at isasalin ang kanilang data. Dalawampu't 12 taong gulang na mga mag-aaral, na nakakuha lamang ng ilang oras ng pagsasanay sa mikropono, ay sumunod sa DNA hindi dalawang oras pagkatapos makarating sa silid-aralan. Ang real-time na pag-convert ng biological na impormasyon sa malaking data ay nagpapalawak sa paksa; sabik na malaman ng mga mag-aaral kung aling mga species ang maaaring makita sa mga pagbabasa ng DNA na kanilang nakikita. Ang kanilang atas para sa susunod na linggo ay pag-aralan ang mga data at makilala ang mga sangkap at ang kanilang mga ratio ng aking tanghalian. Totoong sapat, sa sumunod na linggo ay nagtanong ang isang grupo: "Sophie, kumain ka ba ng tomato salad at ilang karne ng tupa para sa tanghalian?"

Handa na ba ang teknolohiya para sa iyong kontra sa kusina? Ako ay huminto sa paggawa ng puwang para sa isang habang. Tumatagal pa rin ito ng ilang mga kaalaman kung paano mahawakan ang mga hakbang bago ang pagkakasunud-sunod, tulad ng pagbubukas ng mga cell na bukas at paglilinis ng DNA. Ang Oxford Nanopore ay gumagana sa mga paraan upang ma-automate din ang mga hakbang na ito, gayunpaman. Sa kalaunan, mahuhulaan ko ang isang pamilya kung saan ang mga bata ay gumagamit ng isang SmidgION upang maglaro ng isang bagong bersyon ng Pokemon Go sa parke na may tunay na mga species, habang hiniling ni mama kay tatay: "Darling, itinakda mo ba ang talahanayan at nag-ayos ka ba ng lasagna?"

Si Sophie Zaaijer ay isang kapwa postdoctoral sa New York Genome Center at CEO ng PlayDNA, na bumubuo ng mga klase ng genomic-data para sa mga gitnang paaralan, mataas na paaralan, at edukasyon sa unibersidad.