Alat yang Membuat DNA Menguruskan Mainan Kanak-kanak

Minion memecahkan bioteknologi terbuka kepada orang ramai seperti cara pengkomputeran demokratik PC. Apa yang akan kita lakukan dengan kekuatan baru ini?

The MinION (Dengan hormat Oxford Nanopore)

Saya adalah petang Selasa dan Poppy, seorang gadis berusia 12 tahun di New York City, berdiri di hadapan kelasnya dan menjelaskan kepada rakan-rakannya bagaimana kod kehidupan dapat dibaca dengan melewati helai DNA melalui sesuatu yang disebut nanopore . Sebagai sebahagian daripada PlayDNA, sebuah program yang saya buat bersama, para pelajar telah memetik timun sejak seminggu yang lalu. Mereka telah mengukur pH cecair di dalam balang acar dan melihat dari keruh yang meningkat bahawa jumlah sel bakteria meningkat dua kali ganda. Dan tidak seperti generasi kelas sains sebelum mereka, mereka telah mengambil sampel dari balang untuk mengenal pasti spesies bakteria dengan DNA mereka.

Kini masanya untuk mengungkapkan kehidupan yang tidak kelihatan di dalam balang acar mereka. Para pelajar berkumpul di sekitar meja dan, bersama-sama dengan gurunya, meletakkan sampel DNA bakteria sebenar dalam urutan DNA kecil, yang hanya disambungkan ke port USB komputer. Beberapa minit kemudian bacaan DNA pertama muncul dalam masa nyata di skrin mereka.

Ini mungkin berlaku di sekolah menengah kerana pengatur DNA miniatur, yang disebut MinION, yang dibuat oleh Oxford Nanopore Technologies. Saya telah menggunakan peranti ini selama hampir dua tahun di Pusat Genom New York, di mana saya meneliti cara menggunakannya untuk mengenal pasti semula sampel DNA. Penasihat saya, Yaniv Erlich, dan saya adalah orang pertama yang menerapkannya ke bilik darjah Universiti Columbia, dan sekarang ini adalah sebahagian daripada program PlayDNA kami di sekolah-sekolah tempatan. Saya yakin bahawa ia merupakan tonggak teknologi. Penjujukan DNA mudah alih memberi kuasa kepada sesiapa sahaja, bukan hanya saintis, untuk melihat kehidupan pada resolusi yang lebih tinggi daripada yang dapat disediakan oleh kamera paling menarik - dan bahkan setelah makhluk itu hilang. Kita dapat memperluas visi kita untuk melihat semua spesies, bukan hanya spesies yang dapat dilihat dengan mata kasar.

Minion berharga $ 1,000 dan berukuran gula-gula. Ia menghubungkan ke port USB komputer riba. Untuk membacanya sampel DNA, anda menggunakan mikropipet untuk menjatuhkan "perpustakaan DNA" (lebih banyak lagi dalam satu minit) melalui bukaan berukuran milimeter pada Minion. Di dalam peranti terdapat nanopores, kerucut lebih dari satu miliar meter lebarnya, diletakkan di dalam membran. Arus ion yang stabil mengalir melalui nanopori ini. Oleh kerana setiap nukleotida (A, T, C atau G) mempunyai susunan molekul yang unik, masing-masing dibentuk sedikit berbeza. Bentuk unik yang melalui liang mengganggu arus ion dengan cara tertentu. Sama seperti kita dapat menyimpulkan bentuk dengan menganalisis bayangannya di dinding, kita dapat menyimpulkan identiti nukleotida dari gangguan yang ditimbulkannya terhadap arus ion. Ini adalah bagaimana peranti menukar pangkalan ke bit yang mengalir ke komputer.

Gambaran bagaimana DNA dan arus mengalir melalui nanopore. (Dengan hormat Oxford Nanopore)

Kami belum dapat memasukkan jus acar mikropipet secara langsung ke Minion. Beberapa langkah lanjutan diperlukan untuk menyiapkan perpustakaan DNA yang disusun mengikut urutan. Mula-mula anda perlu membuka sel-sel dalam jus acar dan membersihkan DNA mereka. Sel semuanya berbeza - anda mungkin ingat dari kelas biologi bahawa dinding sel tumbuhan kelihatan tidak seperti dinding sel bakteria, yang tidak seperti membran sel mamalia - dan setiap jenis sel memerlukan kaedahnya sendiri. Kemudian, DNA yang disucikan perlu disediakan sedemikian rupa sehingga Minion dapat membacanya. Langkah-langkah untuk mewujudkan perpustakaan DNA ini memerlukan mesin yang belum lagi mesra pengguna untuk bukan pakar, termasuk mikro-sentrifugal dan termo cycler (pada Demokrasi DNA Fingerprinting, anda dapat melihat saya melakukan persiapan perpustakaan dan penjujukan DNA ini di atas bumbung di Bandar New York). Tetapi pada masa akan datang, langkah-langkah ini juga akan dilakukan dalam satu peranti miniatur mudah alih.

Ini akan membuka lapangan. Orang akan dapat menggunakan MinION di dapur mereka untuk mengesahkan kandungan lasagna siap pakai mereka (adakah ia benar-benar mengandungi daging lembu atau itu daging kuda?) Atau menggunakannya untuk pengawasan patogen dan alergen. Oxford Nanopore bahkan merancang untuk melangkah lebih jauh dengan SmidgION: penjujukan DNA yang boleh anda pasangkan ke dalam telefon anda.

Tetapi kami masih mula melihat apa yang akan dilakukan oleh orang ramai dengan teknologi ini. Para saintis telah memanfaatkan kebolehmampuan MinION untuk memantau biodiversiti di kawasan terpencil seperti Lembah Kering McMurdo di Antartica. NASA menggunakan peranti ini untuk memantau status kesihatan angkasawan di angkasa dan akhirnya dapat menggunakannya untuk memvisualisasikan kehidupan di luar angkasa. Pihak berkuasa di Kenya mungkin akan segera memeriksa sama ada daging berasal dari perburuan haram.

Di makmal kami di New York Genome Center kami mengembangkan kaedah untuk menggunakan MinION di tempat kejadian. Kami menyangka bahawa mesin penjujukan mudah alih, yang dapat memberikan hasil dalam beberapa menit, dapat memberi awal kepada penyiasat untuk mengenal pasti mangsa atau suspek. Kaedah forensik tradisional boleh memakan masa berhari-hari, kadang-kadang berminggu-minggu. Ini kerana seseorang harus mengangkut sampel dari tempat kejadian ke makmal yang lengkap, di mana bukti berada dalam barisan sebelum dijalankan walaupun mesinnya mahal.

Sensor penjujukan Nanopore adalah tambahan untuk bidang genomik dan tidak mungkin menggantikan platform penjujukan yang lebih tradisional, seperti yang dihasilkan oleh peneraju pasaran, Illumina. Platform penjujukan DNA tersebut sangat tepat, menjadikannya sangat diperlukan untuk membaca keseluruhan genom (beberapa kali), yang diperlukan untuk mengatakan, untuk menentukan variasi genetik pada orang yang menyebabkan penyakit.

Kerja semacam itu bukan kekuatan Minion pada masa ini. Ia mempunyai kadar kesalahan kira-kira 5 peratus, yang bermaksud bahawa terdapat satu kesalahan membaca setiap 20 nukleotida. Itu tinggi memandangkan perbezaan antara dua individu adalah 0.1 peratus (satu variasi setiap 1,000 nukleotida). Tetapi bacaan dari MinION masih cukup baik untuk memasukkan algoritma yang kami kembangkan untuk analisis tempat kejadian. Algoritma ini mengira kebarangkalian rambut atau beberapa bahan lain yang terdapat di lokasi kejadian sesuai dengan individu dalam pangkalan data polis khas.

Untuk memahami mengapa ini berfungsi walaupun dengan kadar ralat yang tinggi, bayangkan bahawa saya memberi anda nama "Voldamord" dan meminta anda memberitahu saya buku apa yang saya rujuk. Anda mungkin mengenali buku Harry Potter kerana anda mempunyai pangkalan data di kepala anda yang telah dibentuk melalui pembacaan, walaupun terdapat kesalahan ketik pada kata yang saya berikan kepada anda. Anda tidak perlu membaca kembali keseluruhan buku 300 halaman atau "Voldemort" dipersembahkan tepat. Genomik berfungsi berdasarkan prinsip yang sama. Sebaik sahaja anda mempunyai pangkalan data yang berguna, anda hanya memerlukan beberapa serpihan DNA yang bermaklumat untuk mengenal pasti spesies bakteria yang terdapat dalam sampel acar atau kadang-kadang dari mana DNA itu berasal.

Sekarang era penjujukan DNA di mana-mana semakin hampir, kita perlu meningkatkan literasi genetik. Bagaimana kita menangani "data besar" genomik ini? Untuk menjawab soalan seperti itu, saya dan Yaniv Erlich memulakan kelas yang disebut Ubiquitous Genomics di jurusan sains komputer Universiti Columbia pada tahun 2015. Kami mengajar pelajar mengenai teknologi canggih ini dan membuat mereka mengalami potensi. Pelajar mengurut DNA dengan tangan mereka sendiri, dan didorong untuk mengembangkan kaedah komputasi untuk menganalisis data mereka. Kejayaan usaha ini dalam "pembelajaran integratif" mendorong kami untuk berfikir bahawa kami dapat melakukan sesuatu yang serupa dengan melibatkan pelajar sekolah dalam analisis genomik dan data. Kami mengasaskan PlayDNA dengan tujuan tersebut.

Rangkaian mikropipet yang digunakan bersama MinION. (Dengan hormat Oxford Nanopore)

Sehari sebelum bermulanya kelas perintis PlayDNA pertama, saya mengasingkan beberapa bahan dari makan tengah hari saya yang kemudiannya akan berakhir dalam sampel DNA misteri yang perlu dikenal pasti oleh pelajar. PlayDNA menyediakan infrastruktur untuk bilik darjah untuk tidak perlu bimbang untuk mengekstrak DNA dan menyiapkan perpustakaan DNA, sehingga pelajar dapat mulai menjujukan DNA dengan segera dan menafsirkan data mereka. Dua puluh pelajar berusia 12 tahun, yang hanya mendapat latihan mikropipet selama beberapa jam, melakukan urutan DNA tidak dua jam setelah tiba di kelas. Penukaran masa nyata maklumat biologi menjadi data besar menghidupkan subjek; para pelajar ingin mengetahui spesies mana yang dapat dilihat dalam bacaan DNA yang mereka lihat. Tugasan mereka untuk minggu berikutnya adalah menganalisis data dan mengenal pasti ramuan dan nisbah makanan saya. Sudah tentu, minggu berikutnya satu kumpulan bertanya: "Sophie, adakah anda makan salad tomato dan daging domba untuk makan tengah hari?"

Adakah teknologi itu siap untuk kaunter dapur anda? Saya akan bertahan untuk membuat ruang untuk sementara waktu. Masih memerlukan beberapa pengetahuan untuk menangani langkah-langkah sebelum melakukan urutan, seperti memecahkan sel-sel yang terbuka dan membersihkan DNA. Walau bagaimanapun, Oxford Nanopore sedang berusaha untuk mengautomasikan langkah-langkah ini. Akhirnya, saya dapat meramalkan keluarga di mana anak-anak menggunakan SmidgION untuk memainkan Pokemon Go versi baru di taman dengan spesies yang sebenarnya, sementara ibu bertanya kepada ayah: "Sayang, adakah anda mengatur meja dan adakah anda menyusun lasagna?"

Sophie Zaaijer adalah rakan pasca doktoral di Pusat Genom New York dan Ketua Pegawai Eksekutif PlayDNA, yang sedang mengembangkan kelas data genom untuk sekolah menengah, sekolah menengah, dan pendidikan universiti.