แกดเจ็ตที่ทำให้การเล่นของเด็กเรียงลำดับดีเอ็นเอ

Minion ถอดรหัสเทคโนโลยีชีวภาพที่เปิดกว้างให้กับผู้คนในแบบที่พีซีเป็นประชาธิปไตย เราจะทำอะไรกับพลังใหม่ที่ค้นพบนี้

The Minion (ความอนุเคราะห์จาก Oxford Nanopore)

ฉันเป็นบ่ายวันอังคารและป๊อบปี้เด็กหญิงอายุ 12 ปีในนิวยอร์กซิตี้ยืนอยู่หน้าชั้นเรียนของเธอและอธิบายให้เพื่อนของเธอเห็นว่ารหัสชีวิตสามารถอ่านได้โดยการส่ง DNA เกลียวผ่านสิ่งที่เรียกว่านาโนพอร์ . ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของ PlayDNA โปรแกรมที่ฉันร่วมก่อตั้งนักเรียนได้รับแตงกวาดองในสัปดาห์ที่ผ่านมา พวกเขาวัดค่า pH ของของเหลวในขวดดองและเห็นจากความขุ่นมัวที่เพิ่มขึ้นว่าจำนวนเซลล์แบคทีเรียเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และแตกต่างจากวิชาวิทยาศาสตร์รุ่นก่อน ๆ พวกเขาได้นำตัวอย่างจากขวดเพื่อระบุสายพันธุ์แบคทีเรียด้วย DNA ของพวกเขา

ถึงเวลาที่จะเปิดเผยชีวิตที่มองไม่เห็นในขวดดองของพวกเขา นักเรียนรวมตัวกันรอบโต๊ะและร่วมกับครูวางตัวอย่างดีเอ็นเอแบคทีเรียจริงลงในซีเควน DNA เล็ก ๆ ที่เสียบเข้ากับพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์ ไม่กี่นาทีต่อมา DNA ตัวแรกที่อ่านจะปรากฏขึ้นตามเวลาจริงบนหน้าจอ

สิ่งนี้เป็นไปได้ในโรงเรียนมัธยมเนื่องจากเครื่องซีเควน DNA ขนาดเล็กที่เรียกว่ามินเนียนทำโดย Oxford Nanopore Technologies ฉันใช้อุปกรณ์นี้มาเกือบสองปีแล้วที่ศูนย์จีโนมนิวยอร์กซึ่งฉันค้นคว้าวิธีใช้เพื่อระบุตัวอย่างดีเอ็นเออีกครั้ง Yaniv Erlich ที่ปรึกษาของฉันและฉันเป็นคนแรกที่นำมันไปใช้ในห้องเรียนมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและตอนนี้มันเป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม PlayDNA ของเราในโรงเรียนท้องถิ่น ฉันเชื่อว่ามันเป็นก้าวสำคัญของเทคโนโลยี การจัดลำดับดีเอ็นเอแบบพกพาช่วยให้ทุกคนไม่เพียง แต่นักวิทยาศาสตร์จะได้เห็นชีวิตด้วยความละเอียดสูงกว่ากล้องที่ดีที่สุดเท่าที่จะทำได้ - และแม้กระทั่งหลังจากสิ่งมีชีวิตหายไป เราสามารถขยายวิสัยทัศน์ของเราให้เห็นทุกสปีชีส์ไม่เพียง แต่สิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

มินเนียนราคา $ 1,000 และขนาดของแท่งขนม มันเชื่อมต่อกับพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป หากต้องการให้มันอ่านตัวอย่าง DNA คุณใช้ micropipette เพื่อวาง“ คลังดีเอ็นเอ” (เพิ่มเติมในหนึ่งนาที) ผ่านช่องเปิดขนาดมิลลิเมตรในมินเนียน ภายในอุปกรณ์มีนาโนพาวเวอร์มีกรวยที่มีความกว้างมากกว่าหนึ่งพันล้านเมตรวางในเมมเบรน กระแสไอออนคงที่ไหลผ่านท่อนาโนเหล่านี้ เนื่องจากนิวคลีโอไทด์แต่ละชนิด (A, T, C หรือ G) มีการแต่งหน้าระดับโมเลกุลที่ไม่เหมือนใครแต่ละคนจึงมีรูปร่างที่แตกต่างกันเล็กน้อย รูปร่างที่เป็นเอกลักษณ์ผ่านรูขุมขนขัดจังหวะกระแสไฟฟ้าไอออนในวิธีที่เฉพาะเจาะจง เช่นเดียวกับที่เราสามารถสรุปรูปร่างด้วยการวิเคราะห์เงาบนผนังเราสามารถอนุมานเอกลักษณ์ของนิวคลีโอไทด์จากการรบกวนที่เกิดขึ้นกับกระแสไอออน นี่คือวิธีที่อุปกรณ์แปลงฐานเป็นบิตที่สตรีมเข้ากับคอมพิวเตอร์

ภาพประกอบของ DNA และกระแสที่ไหลผ่าน nanopore (ความอนุเคราะห์จาก Oxford Nanopore)

เรายังไม่สามารถนำผักดองขนาดจิ๋วลงในมินเนียนได้โดยตรง จำเป็นต้องใช้ขั้นตอนขั้นสูงบางอย่างเพื่อเตรียมไลบรารี DNA ที่มีการจัดลำดับ ก่อนอื่นคุณต้องเปิดเซลล์ในน้ำผักดองและทำ DNA ให้บริสุทธิ์ เซลล์มีความแตกต่างกัน - คุณอาจจำได้จากวิชาชีววิทยาที่ผนังเซลล์พืชมีลักษณะแตกต่างจากผนังเซลล์แบคทีเรียซึ่งแตกต่างจากเยื่อหุ้มเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม - และเซลล์แต่ละชนิดต้องใช้วิธีการของตัวเอง จากนั้น DNA ที่บริสุทธิ์จะต้องได้รับการจัดเตรียมในลักษณะที่ Minion สามารถอ่านได้จริง ขั้นตอนเหล่านี้ในการสร้างห้องสมุด DNA ต้องการเครื่องที่ยังไม่เป็นมิตรต่อผู้ใช้สำหรับผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญรวมถึงเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็กและนักปั่นเทอร์โม เมืองนิวยอร์ก). แต่ในอนาคตขั้นตอนเหล่านี้จะทำในอุปกรณ์พกพาขนาดเล็กเครื่องเดียว

นี่จะเป็นการเปิดฟิลด์ ผู้คนจะสามารถใช้ Minion ในห้องครัวเพื่อตรวจสอบเนื้อหาของลาซานญ่าสำเร็จรูปของพวกเขา (มันมีเนื้อวัวจริงหรือเนื้อม้านั้นหรือไม่) หรือใช้เพื่อเฝ้าระวังเชื้อโรคและสารก่อภูมิแพ้ Oxford Nanopore กำลังวางแผนที่จะก้าวไปอีกขั้นด้วย SmidgION: ซีเควนเซอร์ DNA ที่คุณสามารถเสียบเข้ากับโทรศัพท์ของคุณ

แต่เราก็ยังเริ่มเห็นว่าผู้คนจะทำอะไรกับเทคโนโลยีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ประโยชน์จากความสามารถในการพกพาของ Minion ในการตรวจสอบความหลากหลายทางชีวภาพในพื้นที่ห่างไกลเช่นหุบเขา McMurdo ของแอนตาร์ติก้า นาซ่ากำลังใช้อุปกรณ์เพื่อตรวจสอบสถานะสุขภาพของนักบินอวกาศในอวกาศและในที่สุดก็สามารถใช้มันเพื่อให้เห็นภาพชีวิตนอกโลก เจ้าหน้าที่ในเคนยาอาจตรวจสอบทันทีว่าเนื้อสัตว์มาจากการลักลอบล่าที่ผิดกฎหมายหรือไม่

ในห้องแล็บของเราที่ New York Genome Center เราได้พัฒนาวิธีการใช้ Minion ในฉากอาชญากรรม เราคิดว่าซีเควนเซอร์พกพาซึ่งสามารถให้ผลลัพธ์ได้ในไม่กี่นาทีสามารถให้ผู้สอบสวนเริ่มต้นในการระบุเหยื่อหรือผู้ต้องสงสัย วิธีการทางนิติวิทยาศาสตร์แบบดั้งเดิมอาจใช้เวลาหลายวันหลายสัปดาห์ นั่นเป็นเพราะมีคนต้องส่งตัวอย่างจากสถานที่เกิดเหตุไปยังห้องปฏิบัติการที่มีอุปกรณ์ครบครันซึ่งหลักฐานอยู่ในคิวก่อนที่จะถูกเรียกใช้แม้ว่าเครื่องจักรราคาแพง

เซ็นเซอร์ลำดับ Nanopore เป็นส่วนเสริมของฟังก์ชั่นจีโนมและไม่น่าจะมาแทนที่แพลตฟอร์มการหาลำดับแบบดั้งเดิมเช่นเดียวกับที่ผลิตโดยผู้นำตลาดอิลลูมินา แพลตฟอร์มลำดับดีเอ็นเอเหล่านั้นมีความถูกต้องอย่างยิ่งทำให้พวกเขาขาดไม่ได้สำหรับการอ่านจีโนมทั้งหมด (สองสามครั้ง) ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นต้องใช้เพื่อบอกว่าการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมในคนที่นำไปสู่โรค

งานประเภทนี้ไม่ได้เป็นจุดแข็งของมินเนียน มีอัตราความผิดพลาดประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ซึ่งหมายความว่ามีข้อผิดพลาดในการอ่านหนึ่งครั้งในทุกๆ 20 นิวคลีโอไทด์ สูงมากเมื่อพิจารณาว่าความแตกต่างระหว่างบุคคลสองคนนั้นคือร้อยละ 0.1 (หนึ่งการเปลี่ยนแปลงทุก ๆ 1,000 นิวคลีโอไทด์) แต่การอ่านจาก Minion ยังดีพอที่จะป้อนเข้าไปในอัลกอริทึมที่เราพัฒนาขึ้นสำหรับการวิเคราะห์อาชญากรรม อัลกอริทึมนี้คำนวณความน่าจะเป็นที่เส้นผมหรือวัสดุอื่น ๆ ที่พบในที่เกิดเหตุตรงกับบุคคลในฐานข้อมูลตำรวจพิเศษ

เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมการทำงานถึงแม้จะมีอัตราความผิดพลาดสูงลองจินตนาการว่าฉันให้ชื่อ "Voldamord" แก่คุณและขอให้คุณบอกฉันว่าฉันหมายถึงหนังสือเล่มใด คุณอาจจำได้ว่ามันเป็นหนังสือ Harry Potter เพราะคุณมีฐานข้อมูลอยู่ในหัวของคุณที่ถูกสร้างขึ้นจากการอ่านแม้ว่าจะมีคำผิดในคำที่ฉันให้คุณ คุณไม่จำเป็นต้องอ่านหนังสือทั้ง 300 หน้าอีกครั้งหรือรับ“ Voldemort” นำเสนออย่างถูกต้อง ฟังก์ชั่นการทำงานตามหลักการเดียวกัน เมื่อคุณมีฐานข้อมูลที่มีประโยชน์แล้วคุณต้องใช้เพียงบางส่วนของข้อมูลดีเอ็นเอในการระบุชนิดของแบคทีเรียที่มีอยู่ในตัวอย่างดองหรือบางครั้งแม้แต่คนที่มาจากดีเอ็นเอ

ตอนนี้ยุคของการหาลำดับดีเอ็นเอที่แพร่หลายนั้นกำลังใกล้เข้ามาเราต้องปรับปรุงการรู้หนังสือทางพันธุกรรม เราจะจัดการ“ ข้อมูลขนาดใหญ่” ของจีโนมได้อย่างไร? เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ Yaniv Erlich และฉันเริ่มชั้นเรียนเรียกว่า Ubiquitous Genomics ในภาควิชาวิทยาการคอมพิวเตอร์มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในปี 2015 เราสอนนักเรียนเกี่ยวกับเทคโนโลยีที่ทันสมัยและได้รับประสบการณ์ที่มีศักยภาพ นักเรียนจัดลำดับ DNA ด้วยมือของตนเองและได้รับการสนับสนุนให้พัฒนาวิธีการคำนวณเพื่อวิเคราะห์ข้อมูล ความสำเร็จของความพยายามใน“ การเรียนรู้เชิงบูรณาการ” นี้ทำให้เราคิดว่าเราสามารถทำสิ่งที่คล้ายกันเพื่อให้เด็กนักเรียนมีส่วนร่วมในการวิเคราะห์จีโนมิกและข้อมูล เราก่อตั้ง PlayDNA โดยมีจุดประสงค์

ภาพระยะใกล้ของ micropipette ที่ใช้กับ Minion (ความอนุเคราะห์จาก Oxford Nanopore)

วันก่อนที่จะเริ่มชั้นเรียน PlayDNA ครั้งแรกฉันแยกส่วนประกอบสองส่วนจากอาหารกลางวันของฉันซึ่งต่อมาจะกลายเป็นตัวอย่างดีเอ็นเอลึกลับที่นักเรียนต้องระบุ PlayDNA จัดเตรียมโครงสร้างพื้นฐานสำหรับห้องเรียนไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับการแยก DNA และเตรียมห้องสมุด DNA เพื่อให้นักเรียนสามารถเริ่มเรียงลำดับ DNA ได้ทันทีและตีความข้อมูลของพวกเขา นักเรียนอายุ 12 ปีผู้ซึ่งได้รับการฝึกฝน micropipette เพียงสองชั่วโมงเท่านั้นกำลังเรียงลำดับดีเอ็นเอไม่ถึงสองชั่วโมงหลังจากมาถึงห้องเรียน การแปลงข้อมูลชีวภาพแบบเรียลไทม์เป็นข้อมูลขนาดใหญ่ช่วยเพิ่มหัวเรื่อง นักเรียนมีความกระตือรือร้นที่จะรู้ว่าสายพันธุ์ใดที่สามารถพบได้ในการอ่านดีเอ็นเอที่พวกเขาเห็น การมอบหมายของพวกเขาสำหรับสัปดาห์ต่อไปคือการวิเคราะห์ข้อมูลและระบุส่วนผสมและอัตราส่วนของอาหารกลางวันของฉัน แน่นอนในสัปดาห์ต่อมามีกลุ่มหนึ่งถาม:“ โซฟีคุณกินสลัดมะเขือเทศและเนื้อแกะสำหรับรับประทานอาหารกลางวันหรือไม่”

เทคโนโลยีพร้อมสำหรับเคาน์เตอร์ครัวของคุณหรือไม่? ฉันจะระงับการทำพื้นที่ในขณะที่ ยังต้องใช้ความรู้ในการจัดการขั้นตอนก่อนการจัดลำดับเช่นการทำลายเซลล์เปิดและทำให้ดีเอ็นเอบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตามอ็อกซ์ฟอร์ดนาโนโอพอร์กำลังหาวิธีที่จะทำให้ขั้นตอนเหล่านี้เป็นไปโดยอัตโนมัติ ในที่สุดฉันสามารถมองเห็นครอบครัวที่เด็ก ๆ กำลังใช้ SmidgION เพื่อเล่น Pokemon Go รุ่นใหม่ในสวนกับสายพันธุ์จริงในขณะที่แม่ถามพ่อ:“ ดาร์ลิ่งคุณวางโต๊ะแล้วคุณเรียงลาซานญ่าไหม”

Sophie Zaaijer เป็นเพื่อนหลังปริญญาเอกที่ New York Genome Centre และซีอีโอของ PlayDNA ซึ่งกำลังพัฒนาชั้นเรียนข้อมูลจีโนมสำหรับโรงเรียนมัธยมโรงเรียนมัธยมและการศึกษาของมหาวิทยาลัย