DNK ardıcıllığını uşağın oyununa çevirən gadget

MinION, PC-nin hesablanmış demokratikləşmə yolu ilə kütlələrə açıq biotexniki çatlayır. Bu yeni yaranan güc ilə nə edəcəyik?

Minion (Oxford Nanopore'un nəzakəti)

Mən çərşənbə axşamı günortadan sonra və Nyu Yorkdakı 12 yaşlı bir qız uşağı, sinifinin qarşısında dayanır və həmyaşıdlarına bir nanopore deyilən bir şeydən bir DNT ipini keçərək həyat kodunun necə oxunacağını izah edir. . Birlikdə qurduğum bir proqram olan PlayDNA-nın bir hissəsi olaraq tələbələr son bir həftə ərzində xiyar yığıblar. Turşu qablarında mayenin pH səviyyəsini ölçdük və artan buludluqdan bakteriya hüceyrələrinin sayının iki dəfə artdığını gördük. Onlardan əvvəlki nəsillərdən fərqli olaraq, bakteriya növlərini DNT-ləri müəyyən etmək üçün bankalardan nümunələr götürmüşlər.

Artıq turşu qablarında görünməz həyatı ortaya qoymağın vaxtı gəldi. Şagirdlər masanın ətrafına toplaşır və müəllimləri ilə birlikdə əsl bakteriya DNT nümunəsini kiçik bir DNT sekvensatoruna qoyurlar ki, bu da sadəcə kompüterin USB portuna qoşulur. Bir neçə dəqiqədən sonra ilk DNA oxunuşları ekranda real vaxt görünür.

Oxford Nanopore Technologies tərəfindən hazırlanan MinION adlı miniatür DNT sekvens səbəbindən orta məktəbdə bu mümkündür. Bu cihazı təxminən iki ildir New York Genome Center-də istifadə edirəm və burada DNT nümunələrinin yenidən eyniləşdirilməsi üçün necə istifadə edəcəyimi araşdırıram. Müşavirim Yaniv Erlich və mən bunu ilk olaraq Kolumbiya Universiteti sinifində həyata keçirdik və indi yerli məktəblərdə PlayDNA proqramımızın bir hissəsidir. Texnologiyada bir mərhələni təmsil etdiyinə əminəm. Portativ DNT ardıcıllığı, yalnız elm adamlarına deyil, hər kəsə həyatı ən yaxşı kameranın təmin edə biləcəyindən daha yüksək səviyyədə görmək imkanı verir - hətta bir məxluq yoxa çıxdıqdan sonra da. Çılpaq gözlə görünən növləri deyil, bütün növləri görmək üçün görmə qabiliyyətimizi genişləndirə bilərik.

MinION 1000 dollara başa gəlir və bir konfet çubuğunun ölçüsüdür. Bir dizüstü kompüterin USB portuna qoşulur. Bir DNT nümunəsini oxumaq üçün Minionda bir millimetr ölçülü bir açılışdan bir "DNA kitabxanası" (bir dəqiqədə daha çox) atmaq üçün bir mikropipetdən istifadə edirsiniz. Cihazın içərisində nanoporlar, eni bir milyardın milyarddan çoxu olan bir konus, bir membrana yerləşdirilir. Bu nanoporlardan sabit bir ion cərəyanı axır. Hər bir nukleotidin (A, T, C və ya G) özünəməxsus molekulyar bir makiyajı olduğundan, hər biri bir az fərqli formada olur. Məsamədən keçən unikal forma ion cərəyanını müəyyən bir şəkildə kəsir. Divarda kölgəsini təhlil edərək bir forma yarada bildiyimiz kimi, bir nukleotidin şəxsiyyətini ion cərəyanına səbəb olan pozğunluqlardan əldə edə bilərik. Cihaz, bazanı o axını kompüterə çevirir.

DNT və cərəyanın nanopor vasitəsilə necə axdığını göstərən bir nümunə. (Oksford Nanoporun nəzakəti)

Miniona birbaşa mikropipet turşu suyu əlavə edə bilmirik. Ardıcıllıqla hazırlanan DNA kitabxanasını hazırlamaq üçün bəzi qabaqcıl addımlar tələb olunur. Əvvəlcə turşu suyundakı hüceyrələri açmaq və DNTlərini təmizləmək lazımdır. Hüceyrələr bir-birindən fərqlidir - bitki hüceyrə divarlarının məməli hüceyrələrin membranlarına bənzər bakterial hüceyrə divarlarından fərqli olaraq biologiya sinifindən xatırlaya bilərsiniz - və hər bir hüceyrə növü öz üsulunu tələb edir. Sonra təmizlənmiş DNT-ni Minion həqiqətən oxuya biləcəyi şəkildə hazırlamaq lazımdır. DNA kitabxanasını yaratmaq üçün bu addım mikro-sentrifuqa və termo velosipedçi də daxil olmaqla mütəxəssis olmayanlar üçün hələ də istifadə üçün yararlı olmayan maşınları tələb edir (DNT barmaq izləri ilə Demokratikləşmə zamanı bu kitabxananın hazırlandığını və DNT-nin damın üstündə ardıcıllıqla işləndiyini görə bilərsiniz. New York City). Ancaq gələcəkdə bu addımlar tək, portativ miniatür cihazda ediləcək.

Bu sahəni açacaqdır. İnsanlar hazır lasagna məzmununu yoxlamaq üçün mətbəxlərində Minion istifadə edə biləcəklər (həqiqətən mal əti var və ya bu atdır?) Və ya patogenlər və allergenləri müşahidə etmək üçün istifadə edə biləcəklər. Oksford Nanopore, SmidgION ilə bir addım daha irəli getməyi planlaşdırır: telefonunuza qoşula biləcəyiniz bir DNA sekvensator.

Ancaq yenə də insanların bu texnologiya ilə nə edəcəyini görməyə başlayırıq. Elm adamları Minionun Antartika'nın McMurdo Quru Vadisi kimi ucqar bölgələrində biomüxtəlifliyə nəzarət etmək üçün istifadə etdi. NASA, kosmosda astronavtların sağlamlıq vəziyyətini izləmək üçün cihazdan istifadə edir və nəticədə xaricdənkənar həyatı görüntüləmək üçün istifadə edə bilər. Keniyadakı səlahiyyətlilər, ətin qanunsuz brakonyerlikdən qaynaqlandığını dərhal yoxlaya bilər.

New York Genome Center-dəki laboratoriyamızda Cinayət səhnələrində Miniondan istifadə üsulunu hazırladıq. Dəqiqləşdirdik ki, bir neçə dəqiqə ərzində nəticələr verə bilən portativ sekvensator, müstəntiqlərə qurbanları və ya şübhəli şəxsləri müəyyənləşdirmək üçün baş verə bilər. Ənənəvi məhkəmə-tibb üsulları günlərlə, bəzən həftələrlə çəkə bilər. Buna görə kimsə nümunələri cinayət yerlərindən yaxşı təchiz olunmuş laboratoriyalara aparmalı, burada bahalı maşınlar işləmədən əvvəl dəlillər növbədə oturur.

Nanopore ardıcıllıqla işləyən sensorlar, genomika sahəsinə bir əlavədir və bazar lideri İllumina tərəfindən istehsal olunanlar kimi daha ənənəvi sekvensiya platformalarını əvəz edə bilməz. Bu DNT sıralama platformaları son dərəcə dəqiqdir, bütövlükdə bir genomu (bir neçə dəfə) oxumaq üçün zəruri hala gətirir. Bu, insanlarda hansı genetik dəyişikliklərin xəstəliklərə səbəb olduğunu müəyyənləşdirmək üçün lazımdır.

Bu cür işlər hazırda Minionun gücü deyil. Səhv nisbəti təxminən 5 faizdir, yəni hər 20 nukleotiddə bir oxu xətası var. İki şəxs arasındakı fərqin 0,1 faiz olduğunu nəzərə alsaq yüksəkdir (hər bir 1000 nukleotiddən bir dəyişmə). Ancaq Minİlionun oxuduğu hadisə yerinin təhlili üçün hazırladığımız alqoritmlə qidalanmaq üçün hələ yaxşıdır. Bu alqoritm, hadisə yerində tapılan saçların və ya digər materialların xüsusi bir polis bazasında bir şəxsə uyğun gəlmə ehtimalını hesablayır.

Bunun nə qədər yüksək səhv dərəcəsi ilə işlədiyini başa düşmək üçün təsəvvür edin ki, sizə "Voldamord" adını verirəm və xahiş edirəm hansı kitaba istinad etdiyimi söyləyin. Bu Harry Potter kitabını tanıya bilərsən, çünki başında sənə verdiyim sözdə yazılar olsa da, oxumaqla formalaşan bir verilənlər bazası var. Bütün 300 səhifəlik kitabı yenidən oxumağa və ya "Voldemort" un tam şəkildə təqdim olunmasına ehtiyac yoxdur. Genomika eyni prinsip üzərində işləyir. Faydalı bir məlumat bazasına sahib olduqdan sonra, turşu nümunələrində hansı bakteriya növünün mövcud olduğunu və ya bəzən hətta DNT-nin hansı şəxsdən gəldiyini müəyyənləşdirmək üçün yalnız bəzi məlumatlandırıcı DNT parçaları lazımdır.

Artıq yerli DNT sıralanma dövrünün yaxınlaşdığına görə, genetik savadımızı inkişaf etdirməliyik. Bu genomlu "böyük məlumatları" necə idarə edə bilərik? Bu kimi sualları həll etmək üçün Yaniv Erlich və mən 2015-ci ildə Kolumbiya Universitetinin kompüter elmləri bölməsində Güclü Genomika adlı bir dərsə başladıq. Tələbələrə bu qabaqcıl texnologiya haqqında öyrətdik və potensialları təcrübə altına aldıq. Şagirdlər öz əlləri ilə DNT sıraladılar və məlumatlarını təhlil etmək üçün hesablama metodlarını inkişaf etdirməyə təşviq etdilər. Bu "inteqrativ öyrənmə" işindəki müvəffəqiyyət, məktəblilərin genomika və məlumat təhlili ilə məşğul olmaq üçün oxşar bir şey edə biləcəyimizi düşünməyə təşviq etdi. Bu məqsədlə PlayDNA qurduq.

MinION ilə istifadə edilən mikropipetanın yaxınlaşması. (Oksford Nanoporun nəzakəti)

İlk PlayDNA pilot sinifinin başlamasından bir gün əvvəl, şagirdlərin müəyyənləşdirməli olduqları bir sirr DNT nümunəsi ilə sona çatacaq yeməyimdən bir neçə maddəni ayırdım. PlayDNA, sinif şagirdlərinə DNT çıxarmaq və DNA kitabxanalarını hazırlamaqdan narahat olmamaq üçün infrastruktur təmin edir, beləliklə tələbələr dərhal DNT-lərini sıralaya və məlumatlarını şərh etməyə başlaya bilərlər. Cəmi bir neçə saatlıq mikropipetaj təhsili almış iyirmi 12 yaşlı şagird, dərsə gəldikdən iki saat sonra DNT sıraladılar. Real vaxtda bioloji məlumatların böyük məlumatlara çevrilməsi mövzunu canlandırır; tələbələr gördükləri DNT-lərdə hansı növlərin yer alacağını bilmək istəyirdilər. Növbəti həftə üçün tapşırıqları məlumatları təhlil etmək və nahar yeməyimin maddələrini və nisbətlərini müəyyənləşdirmək idi. Şübhəsiz ki, növbəti həftə bir qrup soruşdu: "Sofi, sən nahar üçün pomidor salatı və bir neçə qoyun ətini yemisən?"

Mətbəx sayğacınız üçün texnologiya hazırdırmı? Bir müddət boş yer tutmaqdan əl çəkdim. Hüceyrələri açmaq və DNT-ni təmizləmək kimi ardıcıllıqla başlamazdan əvvəl addımları necə idarə etmək hələ də lazımdır. Oxford Nanopore bununla birlikdə bu addımları avtomatlaşdırma yolları üzərində də çalışır. Nəhayət, uşaqların parkda həqiqi növlərlə Pokemon Go-un yeni bir versiyasını oynamaq üçün SmidgION istifadə etdiyi bir ailəni görə bilərəm, ana isə atadan soruşur: "Sevgilim, süfrəni düzəldin və lazanya ardıcıllığı etdin?"

Sophie Zaaijer, New York Genome Center-in postdoctoral işçisi və orta məktəblər, liseylər və universitet təhsili üçün genom məlumat məlumatları inkişaf etdirən PlayDNA-nın icraçı direktoru.