ДНҚ-ны кезекті рет баланың ойынына айналдыратын гаджет

Минион компьютерді демократияландыру жолымен көпшілікке ашық биотехнологияны бұзады. Осы жаңа күшпен не істейміз?

МинИон (Оксфорд Нанопораның ілтипаты)

Мен сейсенбі күні түстен кейін, Поппи, Нью-Йорктегі 12 жасар қыз, сынып алдында тұрып, құрдастарына ДНҚ тізбегін нанопор деп аталатын нәрсе арқылы оқып үйренуге болатындығын түсіндіреді. . Мен өзім құрған PlayDNA бағдарламасының аясында студенттер өткен аптада қияр жинады. Олар тұздалған құмыралардағы сұйықтықтың рН-ны өлшеді және өсіп келе жатқан бұлттылықтан бактерия жасушаларының саны екі есе артқанын көрді. Олардың алдындағы ғылыми сабақтардан айырмашылығы, олар бактериялардың түрлерін ДНҚ-мен анықтау үшін банкалардан сынама алды.

Енді олардың тұздалған банкаларында көрінбейтін өмірді ашатын кез келді. Студенттер үстелдің жанына жиналып, мұғалімімен бірге ДНҚ-ның нағыз үлгіні кішкене ДНҚ секвенсорына салып, оны компьютердің USB портына қосады. Бірнеше минуттан кейін ДНҚ алғашқы оқулары нақты уақыт режимінде олардың экранында пайда болады.

Оксфорд Нанопоры Технологиялары жасаған MinION деп аталатын ДНҚ секвенсорының арқасында орта мектепте бұл мүмкін. Мен бұл құрылғыны екі жылдай Нью-Йорктегі Геном орталығында қолдандым, онда мен оны ДНҚ үлгілерін қайтадан анықтау үшін қалай пайдалану керектігін зерттеймін. Менің кеңесшім Янив Эрлич екеуміз оны Колумбия университетінің аудиториясында бірінші болып жүзеге асырдық, енді бұл жергілікті мектептердегі PlayDNA бағдарламасының бөлігі. Бұл технологияның маңызды кезеңі болатынына сенімдімін. Портативті ДНҚ тізбегі ғалымдарға ғана емес, кез-келген адамға өмірді ең фантастикалық камера ұсынғаннан гөрі жоғары деңгеймен көруге мүмкіндік береді - тіпті тіршілік кеткеннен кейін де. Біз көзге көрінетін түрлерді ғана емес, барлық түрлерді көру туралы көзқарасымызды кеңейте аламыз.

MinION құны 1000 долларды құрайды және бұл кәмпиттің өлшемі. Ол ноутбуктің компьютерінің USB портына қосылады. ДНҚ үлгіні оқу үшін сіз «ДНҚ кітапханасын» минутына (минутына көбірек) Минисондағы миллиметрлік саңылауға тастау үшін микропететті қолданасыз. Құрылғының ішінде нанопоралар, ені миллиардтың төрттен бір бөлігінен тұратын конустар мембранаға орналастырылған. Тұрақты иондық ток осы нанопоралар арқылы өтеді. Әр нуклеотидтің (A, T, C немесе G) ерекше молекулалық құрамы болғандықтан, олардың әрқайсысы біршама басқаша қалыптасады. Тері тесігінен өтетін ерекше пішін иондық токты белгілі бір жолмен тоқтатады. Қабырғадағы оның көлеңкесін талдай отырып, пішінге ие бола алатынымыз сияқты, біз нуклеотидтің иондық токқа дейінгі бұзылыстарынан оның жеке басын анықтай аламыз. Осылайша құрылғы базаны сол ағынды компьютерге айналдырады.

ДНҚ мен токтың нанопорадан қалай ағатындығы туралы сурет. (Оксфорд Нанопораның ілтипаты)

Минисонға маринадталған шырынның тікелей микропипететін әзірге бере алмаймыз. Реттелген ДНҚ кітапханасын дайындау үшін кейбір қадамдар қажет. Алдымен маринадталған шырынды жасушаларды ашып, олардың ДНҚ-ларын тазарту керек. Жасушалардың бәрі әртүрлі - сіз биология сабағынан өсімдік жасушаларының қабырғалары сүтқоректілердің мембраналарына ұқсамайтын бактериалды жасуша қабырғаларына ұқсамайтынын есте ұстай аласыз - және әр жасушаның өзіндік әдісі қажет. Содан кейін тазартылған ДНҚ-ны Минион оны оқи алатындай етіп дайындауы керек. ДНҚ кітапханасын құру үшін бұл маманға әлі ыңғайлы емес машиналарды, оның ішінде микро центрифуга мен термоцикуляторды қажет етеді (ДНҚ саусақ ізін демократиялау кезінде сіз мені осы кітапханаға дайындықты және ДНҚ тізбектелгенін төбемнен көре аласыз. Нью-Йорк қаласы). Бірақ болашақта бұл қадамдар жалғыз, портативті миниатюралық құрылғыда жасалады.

Бұл өрісті ашады. Адамдар өздерінің асханаларында дайындалған лазаньяның мазмұнын тексеру үшін Minion-ды қолдана алады (ол сиыр етінен тұрады ма немесе жылқы еті ме?) Немесе оны қоздырғыштар мен аллергендерді бақылау үшін қолдана алады. Оксфорд Нанопоры SmidgION-мен тағы бір сатыға баруды жоспарлап отыр: оны телефонға қосуға болатын ДНҚ секвенсоры.

Бірақ біз адамдар бұл технологиямен не істейтінін көре бастадық. Ғалымдар Антитариканың МакМурдо құрғақ алқаптары сияқты шалғай аудандардағы биоалуантүрлілікті бақылау үшін МинИОН-ның мүмкіндігіне ие болды. NASA ғарыштағы ғарышкерлердің денсаулығын бақылау үшін құрылғыны қолданады және ақыр соңында оны ғаламшардан тыс өмірді бейнелеу үшін қолдана алады. Кения билігі тез арада ет заңсыз браконьерліктен туындайтынын бірден тексеруі мүмкін.

Нью-Йорктегі Геном орталығындағы зертханамызда қылмыс болған жерде Минионды қолдану әдісін жасадық. Біз бірнеше минут ішінде нәтиже бере алатын портативті секвенсор тергеушілерге құрбан болушылар мен күдіктілерді анықтауды бастай алады деп ойладық. Дәстүрлі сот-медициналық әдістер бірнеше күн, кейде бірнеше аптаға созылуы мүмкін. Себебі, біреулер үлгілерді қылмыс орындарынан жақсы жабдықталған зертханаларға апаруы керек, онда дәлелдер қымбат машиналар болмай тұрып кезекке тұрады.

Нанопордың секвенирлеу датчиктері геномика саласына қосымша болып табылады және нарық көшбасшысы Иллюминаның шығарған дәстүрлі платформаларын ауыстыру екіталай. ДНҚ-ның секвенирленген платформалары өте дәл, сондықтан олар бүкіл геномды (екі рет) оқуға қажет етеді, бұл адамдарда қандай генетикалық өзгерістердің ауруға әкелетінін анықтауға қажет.

Қазіргі уақытта бұл жұмыс Министрацияның күші емес. Оның қателік деңгейі шамамен 5 пайызды құрайды, яғни әрбір 20 нуклеотидтен бір оқудағы қателік бар. Екі адамның арасындағы айырмашылық 0,1 пайызды құрайтындығын ескерсек, бұл өте жоғары (әр вариацияда әрбір 1000 нуклеотид). Бірақ Миниондардың оқулары әлі де біз қылмыс орнын талдау үшін жасаған алгоритмге ену үшін жеткілікті. Бұл алгоритм қылмыс орнында табылған шаштың немесе басқа материалдың полицияның арнайы деректер базасындағы адамға сәйкес келу ықтималдығын есептейді.

Неліктен бұл үлкен қателікпен жұмыс істейтінін түсіну үшін мен сізге «Волдаморд» деген ат беремін деп ойлап, қай кітапқа сілтеме жасайтынымды айтуыңызды сұраңыз. Сіз Гарри Поттер кітабын тануыңыз мүмкін, өйткені сіздің басыңызда оқу арқылы қалыптасқан мәліметтер базасы бар, тіпті мен сізге айтып отырған сөзде жазулар бар. Сізге 300 беттен тұратын кітапты қайта оқып немесе «Вольдемортты» дәл ұсыну қажет емес. Геномика бірдей принцип бойынша жұмыс істейді. Пайдалы деректер базасы болғаннан кейін, тұздалған үлгіні қандай бактериалды түрлерде болатындығын немесе кейде ДНҚ қай адамнан шыққанын анықтау үшін сізге ДНҚ-ның кейбір ақпараттары қажет.

Қазіргі уақытта ДНҚ-ны дәйектілік дәуірі жақындаған сайын, біз генетикалық сауаттылықты арттыруымыз керек. Бұл геномдық «үлкен деректерді» қалай өңдейміз? Осындай сұрақтарға жауап беру үшін Янив Эрлич екеуміз 2015 жылы Колумбия университетінің информатика факультетінде «Көбінесе геномика» атты сынып аштық. Біз студенттерге осы заманауи технология туралы сабақ беріп, олардың әлеуетін сезінуге мүмкіндік алдық. Студенттер ДНҚ-ны өз қолдарымен реттеп, деректерді талдаудың есептеу әдістерін жасауға кеңес берді. Бұл әрекеттің «интегративті оқыту» саласындағы жетістігі бізді оқушыларды геномика мен деректерді талдауға тарту сияқты ұқсас нәрсе жасай аламыз деп ойлауға итермеледі. Біз осы мақсатта PlayDNA құрдық.

MinION қолданылған микропипетаның жабылуы. (Оксфорд Нанопораның ілтипаты)

Бірінші PlayDNA пилоттық сыныбының басталуына бір күн қалғанда, мен түскі асымнан бірнеше ингредиенттер бөліп алдым, олар кейінірек студенттер анықтаған құпия ДНҚ үлгісіне айналды. PlayDNA ДНҚ алу және ДНҚ кітапханаларын дайындау туралы алаңдамай, оқушыларға ДНҚ-ны ретке келтіруді және олардың деректерін түсіндіруді бастауға мүмкіндік береді. Микропипететте бірнеше сағат жаттығу жасаған 12 жастағы жиырма студент сабаққа келгеннен екі сағаттан соң ДНҚ-ны реттеді. Нақты уақыт режимінде биологиялық ақпаратты үлкен мәліметтерге айналдыру тақырыпты жандандырады; студенттер өздері көрген ДНҚ-да қандай түрлердің кездесетінін білгісі келді. Олардың келесі аптадағы тапсырмасы деректерді талдау және менің түскі асымның құрамы мен қатынасын анықтау болды. Келесі аптада бір топ сұрады: «Софи, сіз қызанақ салаты мен түскі асқа қой етін жедіңіз бе?»

Ас үйдегі есептегішке арналған технология дайын ба? Мен біраз уақыт бос тұрып қалуым мүмкін. Жасушаларды ашу және ДНҚ-ны тазарту сияқты жүйелілікке дейін қадамдармен жұмыс істеу үшін әлі де бірнеше білім қажет. Оксфорд Нанопоры да осы қадамдарды автоматтандыру жолдарын қарастыруда. Ақырында мен балалар SmidgION пайдаланып саябақта Pokemon Go-дің жаңа нұсқасын ойнауға болатын отбасын көре аламын, ал анам әкеден: «Дарлым, сен үстел жасадың ба, лазаньяны реттедің бе?» - деп сұрайды.

Софи Зайайер - Нью-Йорктегі Геном орталығының постдокторлық қызметкері және орта мектептерге, орта мектептер мен университеттерге арналған геном-деректер кластарын дамытатын PlayDNA-ның бас директоры.