DNKni bolalar o'yinini ketma-ketlashtiradigan gadget

MinION, kompyuterni demokratlashtirish usullari bilan ommaviy biotexnikani buzadi. Ushbu yangi kuch bilan biz nima qilamiz?

Minion (Oksford Nanoporining tabrigi)

Men seshanba kuni tushdan keyin, Nyu-York shahridagi 12 yashar qiz Poppi o'z sinfining oldida turib, tengdoshlariga DNK ipini nanopor deb ataladigan narsadan o'tish orqali qanday qilib hayot kodi o'qilishini tushuntiradi. . Men yaratgan PlayDNA dasturining bir qismi sifatida talabalar o'tgan hafta davomida bodring terib yurishgan. Ular tuzlangan kavanozlarda suyuqlikning pH miqdorini o'lchashdi va tobora kattalashib borayotganidan bakteriya hujayralari soni ikki baravar ko'payganini ko'rishdi. Va ulardan oldingi avlod darslaridan farqli o'laroq, ular DNK yordamida bakteriyalar turlarini aniqlash uchun bankalardan namunalar olishdi.

Ko'zga ko'rinmas hayotni ularning tuzlangan bankalarida ochish vaqti keldi. Talabalar stol atrofida to'planishadi va o'qituvchisi bilan birgalikda bittadan DNK namunasini kompyuterning USB portiga ulaydigan kichkina DNK sekvestriga joylashtiradilar. Bir necha daqiqadan so'ng birinchi DNK o'qilishi real vaqt rejimida ularning ekranida paydo bo'ladi.

Bu o'rta maktabda Oksford Nanopore Technologies tomonidan ishlab chiqarilgan MinION deb nomlangan DNK sekveneri tufayli mumkin. Men ushbu qurilmani ikki yil davomida Nyu-Yorkdagi Genom markazida ishlatganman va u erda DNK namunalarini qayta identifikatsiya qilish uchun qanday foydalanishni o'rganaman. Mening maslahatchim Yaniv Erlich va men uni Kolumbiya universiteti sinfida birinchi bo'lib amalga oshirgan edik va endi u mahalliy maktablarda bizning PlayDNA dasturimizning bir qismidir. Ishonchim komilki, bu texnologiyadagi muhim bosqichni anglatadi. Portativ DNK ketma-ketligi, nafaqat olimlarga, balki har kimga hayotni eng yaxshi kamera taqdim eta oladigan darajada va hatto jonzot yo'qolgandan keyin ham yuqori darajada ko'rish imkoniyatini beradi. Ko'zga ko'rinadigan barcha turlarni emas, balki barcha turlarni ko'rish uchun biz tasavvurimizni kengaytira olamiz.

MinION narxi 1000 dollarga teng va bu konfet barining o'lchamidir. Noutbuk kompyuterining USB portiga ulanadi. DNK namunasini o'qish uchun siz DNK kutubxonasini (DNK kutubxonasini) bir daqiqada millimetr o'lchamdagi teshikka tushirish uchun mikropipetadan foydalanasiz. Qurilma ichida nanoporlar, kengligi metrning milliarddan bir qismi bo'lgan konuslar membranaga joylashtirilgan. Ushbu nanoporalar orqali barqaror ion oqimi oqadi. Har bir nukleotid (A, T, C yoki G) noyob molekulyar tuzilishga ega bo'lgani uchun ularning har biri biroz boshqacha shakllanadi. G'ovakdan o'tadigan noyob shakl ma'lum bir tarzda ion oqimini to'xtatadi. Shaklni devordagi soyani tahlil qilish orqali aniqlay olsak, biz nukleotidning o'ziga xosligini u ion oqimigacha bo'lgan buzilishlardan tortib olamiz. Shunday qilib, qurilma bazani ushbu oqimni kompyuterga o'zgartiradi.

DNK va oqim nanopor orqali qanday o'tishi haqida rasm. (Oksford Nanoporining tabrigi)

Biz haligacha Minionga tuzlangan sharbat mikropipetasini to'g'ridan-to'g'ri ulay olmadik. DNK kutubxonasini ketma-ket tayyorlash uchun ba'zi bir ilg'or qadamlar talab qilinadi. Avval siz tuzlangan sharbat tarkibidagi hujayralarni ochib, DNKni tozalashingiz kerak. Biologiya sinfidan eslashingiz mumkinki, o'simlik hujayralari devorlari sutemizuvchi hujayralar membranalariga o'xshamaydigan bakterial hujayra devorlariga o'xshaydi - va har bir hujayra turi o'ziga xos usulni talab qiladi. Keyin tozalangan DNKni Minion haqiqatan ham o'qiy oladigan tarzda tayyorlash kerak. DNK kutubxonasini yaratish uchun ushbu qadam mutaxassis bo'lmaganlar uchun hali ham foydalanuvchilar uchun qulay bo'lmagan mashinalarni, jumladan mikro-tsentrifuga va termo-velosipedni talab qiladi (DNK barmoq izlarini demokratlashtirishda siz ushbu kutubxonani tayyorlayotganimni va tomning tepasida DNK ketma-ketligini ko'rishingiz mumkin. Nyu-York shahri). Ammo kelajakda ushbu qadamlar bitta, ko'chma miniatyurada amalga oshiriladi.

Bu maydonni ochadi. Odamlar o'z oshxonalarida Miniondan tayyor lasagna tarkibini tekshirish uchun foydalanishlari mumkin (u aslida mol go'shti bormi yoki bu otmi?) Yoki uni patogenlar va allergenlarni tekshirish uchun ishlatishi mumkin. Oksford Nanopore hatto SmidgION bilan bir qadam oldinroq borishni rejalashtirmoqda: telefoningizga DNK sekvensatori.

Ammo biz odamlar bu texnologiya bilan nima qilishlarini ko'rishni endi boshlayapmiz. Olimlar Minionning Antartikadagi McMurdo quruq vodiysi kabi chekka hududlardagi bioxilma-xillikni kuzatish uchun imkoniyatlaridan foydalandilar. NASA ushbu moslamadan kosmonavtlarning kosmosdagi sog'lig'ini kuzatish uchun foydalanadi va natijada undan tashqaridagi hayotni tasavvur qilish uchun foydalanishi mumkin. Keniya rasmiylari tez orada go'sht noqonuniy brakonerlikdan kelib chiqadimi, darhol tekshirishi mumkin.

Nyu-Yorkdagi Genom markazidagi laboratoriyamizda jinoyatlar sodir bo'lgan joyda Miniondan foydalanish usulini ishlab chiqdik. Biz bir necha daqiqada natijalarni bera oladigan ko'chma sekvensator tergovchilarga qurbonlar va gumondorlarni aniqlashni boshlashi mumkinligini angladik. An'anaviy sud-tibbiyot usullari bir necha kunni, ba'zan haftalarni olishi mumkin. Buning sababi, kimdir namunalarni jinoyatchilik joylaridan yaxshi jihozlangan laboratoriyalarga etkazishi kerak, u erda dalillar qimmat mashinalar bilan ishlamay turib navbatda turibdi.

Nanoporni sekvestratsiya qiluvchi sensorlar genomika sohasiga qo'shimcha bo'lib, bozor rahbari Illumina singari an'anaviy an'anaviy platformalarni almashtirishning imkoni yo'q. Ushbu DNKni ketma-ket joylashtiradigan platformalar juda aniq bo'lib, ularni butun bir genomni o'qish uchun ajralmas holga keltiradi (bir necha marta), bu odamlarda qanday irsiy o'zgarishlarni kasalliklarga olib kelishini aniqlash uchun kerak.

Hozirda bu ish ministrning kuchi emas. Xatolik darajasi taxminan 5 foizni tashkil etadi, ya'ni har 20 nukleotidda bitta o'qish xatosi mavjud. Ikki kishining orasidagi farq 0,1 foizni tashkil etadi (har bir nukleotidning bitta o'zgarishi). Ammo Minionning o'qishi hali ham biz jinoyatlar sodir bo'lgan joyni tahlil qilish uchun ishlab chiqqan algoritmga kirish uchun etarli darajada yaxshi. Ushbu algoritm, voqea joyida topilgan sochlar yoki boshqa materiallar, politsiyaning maxsus ma'lumotlar bazasida odamga mos kelishi ehtimolini hisoblaydi.

Nima uchun bu juda katta xato bilan ishlayotganini tushunish uchun men sizga "Voldamord" nomini beraman deb tasavvur qiling va menga qaysi kitobga murojaat qilayotganimni aytishingizni iltimos qiling. Siz uni Garri Potter kitobi deb bilishingiz mumkin, chunki sizning boshingizda o'qish orqali shakllangan ma'lumotlar bazasi mavjud, garchi men sizga berayotgan so'zda harflar bo'lsa. Butun 300 sahifali kitobni qayta o'qish yoki "Voldemort" ni to'g'ri taqdim etish shart emas. Genomika xuddi shu printsip bo'yicha ishlaydi. Foydali ma'lumotlar bazasiga ega bo'lgach, tuzlangan namunalarda bakterial turlarning mavjudligini yoki ba'zan DNKning qaysi shaxsdan kelib chiqqanligini aniqlash uchun sizga faqat DNKning ba'zi ma'lumotlari kerak bo'ladi.

Hozirgi kunda mavjud bo'lgan DNK ketma-ketligi davri yaqinlashayotgan ekan, biz genetik savodxonlikni oshirishimiz kerak. Ushbu "katta ma'lumotlar" ga qanday munosabatda bo'lamiz? Bunday savollarga javob berish uchun Yaniv Erlich va men 2015 yilda Kolumbiya Universitetining kompyuter fanlari bo'limida "Vaqtinchalik genomika" deb nomlangan darsni boshladik. Biz talabalarga ushbu zamonaviy texnologiyalar haqida o'rgatdik va ularning imkoniyatlarini sinab ko'rdik. Talabalar o'zlarining qo'llari bilan DNKni ketma-ket o'tkazdilar va ma'lumotlarni tahlil qilish uchun hisoblash usullarini ishlab chiqishga da'vat etildilar. Ushbu harakatlarning "integrativ ta'lim" da muvaffaqiyati bizni maktab o'quvchilarini genomika va ma'lumotlarni tahlil qilish bilan shug'ullanishga o'xshash narsa qilishimiz mumkin deb o'ylashga undaydi. Shu maqsadda biz PlayDNA-ni yaratdik.

MinION bilan ishlatiladigan mikropipetaning yopilishi. (Oksford Nanoporining tabrigi)

Birinchi PlayDNA uchuvchi sinfini boshlashdan bir kun oldin, men tushlikdan bir nechta ingredientlarni ajratib oldim, ular keyinchalik talabalar aniqlashlari kerak bo'lgan sirli DNK namunasiga aylanishdi. PlayDNA DNKni olish va DNK kutubxonalarini tayyorlash haqida tashvishlanmaslik uchun sinflar uchun infratuzilmani ta'minlaydi, shuning uchun talabalar darhol DNKni ketma-ket qo'yib, ma'lumotlarni o'zlarining sharhlarini izohlashni boshlashlari mumkin. Bir necha soatlik mikropipetka bo'yicha mashg'ulotlardan o'tgan 12 yoshli yigirma o'quvchi sinfga kelganidan ikki soat o'tgach, DNKni ketma-ket yig'ishgan. Biologik ma'lumotlarning real vaqt rejimida katta ma'lumotlarga aylanishi mavzuni jonlantiradi; talabalar DNK o'qishlarida qaysi turlarni ko'rish mumkinligini bilishni juda xohlashdi. Ularning keyingi haftadagi vazifasi ma'lumotlarni tahlil qilish va tushlikimning tarkibiy qismlari va ularning nisbatini aniqlash edi. Keyingi haftada bitta guruh so'rabdi: "Sofi, tushlik uchun pomidor salatidan va qo'y go'shtidanmi?"

Sizning oshxonangizdagi peshtaxta uchun texnologiya tayyormi? Biroz vaqt bo'shashib qolaman. Hujayralarni ochish va DNKni tozalash singari, tartiblashdan oldin bosqichlarni boshqarish uchun hali ham ba'zi bir nou-xau talab etiladi. Oksford Nanopore ham ushbu bosqichlarni avtomatlashtirish usullari ustida ishlamoqda. Oxir oqibat, men bolalar SmidgION-dan foydalanib, parkda Pokemon Go-ning yangi turlarini o'ynash uchun o'ynaydigan oilani ko'rayapman, onam dadamdan: "Sevgilim, dasturxon tuzdingmi va lazanya bilan ketma-ket keldingmi?"

Sofi Zayayjer Nyu-Yorkdagi Genom markazining postdoktoral xodimi va o'rta maktablar, o'rta maktablar va universitetlar uchun genom ma'lumotlari bo'yicha darslarni ishlab chiqadigan PlayDNA direktori.