ДНКны кезектештирип турган Гаджет Баланын оюну

Минион компьютерди демократиялаштырган жол менен көпчүлүккө ачык биотехнологияны жардырат. Бул жаңы күчтү биз эмне кылабыз?

МИНИОН (Оксфорд Нанопорунун боорукердиги)

Мен шейшемби күнү түштөн кийин, Нью-Йорктогу 12 жаштагы Поппи класстын алдында туруп, курдаштарыңызга ДНК катарынан нанопор деп аталган нерсени өткөрүп, жашоо кодун окууга болоорун түшүндүрдүм. . Мен негиздеген PlayDNA программасынын алкагында акыркы жумада студенттер бадыраң терип келишкен. Алар туздалган кумуралардагы суюктуктун рН-н өлчөшкөн жана булуттардын көбөйүп баратканынан бактерия клеткаларынын саны эки эсеге көбөйүп жаткандыгын көрүшкөн. Алардан мурунку муундардан айырмаланып, алар ДНК аркылуу бактериялардын түрлөрүн аныктоо үчүн кумуралардан үлгүлөрдү алышкан.

Алардын туздалган кумураларында көзгө көрүнбөгөн жашоону ачуу мезгили келди. Студенттер столго чогулуп, мугалими менен бирге ДНКнын чыныгы секретерине кичинекей ДНК үлгүлөрүн коюп, компьютердин USB портуна жайгаштырышат. Бир нече мүнөттөн кийин ДНК биринчи окулгандыгы алардын экранында реалдуу убакытта пайда болот.

Оксфорд Nanopore Technologies тарабынан жасалган MinION деп аталган ДНК секвенсорунан улам орто мектепте бул мүмкүн. Мен бул аппаратты эки жылдан бери Нью-Йорктогу Геном Борборунда колдонуп келем, ал жерде аны ДНК үлгүлөрүн кайрадан идентификациялоо үчүн кантип колдонууну изилдеп жүрөм. Менин кеңешчим Янив Эрлич экөөбүз биринчи болуп Колумбия университетинин класстарына киргиздик, эми бул жергиликтүү мектептердеги PlayDNA программабыздын бөлүгү. Бул технологиядагы учурду көрсөтөт деп ишенем. Портативдүү ДНК ырааттуулугу, илимпоздорго эле эмес, баарына, жашоону эң жөнөкөй камера бере турган, атүгүл бир жандык жок болуп кеткенден кийин, чечкиндүүлүк менен көрүүгө мүмкүнчүлүк берет. Көзүбүзгө көрүнгөн түрлөрдү эле эмес, бардык түрлөрдү көрө алабыз.

MinION баасы 1000 доллар жана момпосуйдун өлчөмү. Ал ноутбуктун компьютеринин USB портуна туташат. ДНК үлгүсүн окушу үчүн, сиз "ДНК китепканасын" бир минутада (минута ичинде) миллиметрлик минималдык көлөмдөгү ачылышка таштап салганда, микропипетти колдоносуз. Аппараттын ичинде нанопоралар, кеңдиги бир метрдин миллиондон бир бөлүгүнөн ашпаган конустар кабыкчага жайгаштырылган. Туруктуу ион току ушул нанопоралар аркылуу агат. Ар бир нуклеотиддин (A, T, C же G) уникалдуу молекулярдык түзүлүшү болгондуктан, алардын ар бири бир аз башкача болот. Тешикчеден өткөн уникалдуу форма иондун токун белгилүү бир жол менен үзгүлтүккө учуратат. Дубалдагы анын көлөкөсүн анализдөө менен бир формага ээ боло алгандай эле, нуклеотиддин ион тогунан келип чыккан бузулуулардан өздүгүн таба алабыз. Ошентип, түзмөк базаны ошол агымды компьютерге айландырат.

ДНК менен токтун нанопорадан кантип агып чыгышы жөнүндөгү мисал. (Оксфорд Нанопорунун боорукердиги)

Азырынча түздөн-түз микропипеттеги маринаддуу ширени МинИОНго киргизе албай жатабыз. Кезектелген ДНК китепканасын даярдоо үчүн кээ бир өркүндөтүлгөн кадамдар талап кылынат. Адегенде туздалган ширедеги клеткаларды жарып, ДНКсын тазалашыңыз керек. Биология сабагынан бактериялуу клетканын капталдары сүт эмүүчүлөр клеткаларынын кабыкчаларына окшош эмес экендигин биология сабагынан эстесеңиз болот - ар бир клетка өз ыкмасын талап кылат. Андан соң, тазаланган ДНКны Минион чындыгында окуй ала тургандай кылып даярдаш керек. ДНК китепканасын түзүү үчүн бул адис эмес адамга ыңгайлуу машиналарды, анын ичинде микро центрифуганы жана термо циклди талап кылат (ДНК манжаларын Демократизациялоо учурунда сиз ушул китепкананын даярдыгын жана ДНК ырааттуулугун үйдүн төбөсүндө көрө аласыз. Нью Йорк шаары). Бирок келечекте бул кадамдар дагы бир, портативдик миниатюралык түзмөктө жасалат.

Бул талаа ачылат. Адамдар ашканада MinION колдоно алышат, алардын даяр лазаньясынын мазмунун текшеришет (чындыгында уй барбы же бул жылкыбы?) Же аны козгогучтар менен аллергендерди байкоо үчүн колдонушат. Оксфорд Нанопоре SmidgION менен дагы бир кадам алдыга өтүүнү пландаштырууда: сиз телефонуңузга ДНК секвенсерин киргизе аласыз.

Бирок биз адамдардын ушул технологияны эмне кыла тургандыгын көрө баштадык. Окумуштуулар Минтиянын Антарктидадагы МакМурдо кургак өрөөндөрүндөгү алыскы райондордогу биоартүрдүүлүктү көзөмөлдөө үчүн колдонушту. НАСА космостогу космонавттардын саламаттыгынын абалын көзөмөлдөө үчүн бул түзмөктү колдонуп, жер бетинен тышкаркы жашоону элестетүү үчүн колдоно алат. Кениянын бийликтери этти мыйзамсыз браконьерликтен келип чыккандыгын тез арада текшерип чыгышы мүмкүн.

Нью-Йорктогу Геном Борборундагы лабораториябызда кылмыштуу жерлерде MinION тобун колдонуу ыкмасын иштеп чыктык. Ыкчам жыйынтыктарды бир нече мүнөттөрдө жеткире турган көчмө секвенсер тергөөчүлөргө жабырлануучуларды жана шектүүлөрдү аныктоону башташы мүмкүн деп ойлодук. Салттуу соттук-медициналык ыкмалар бир нече күнгө, кээде бир нече жумага созулушу мүмкүн. Себеби, кимдир бирөө үлгүлөрдү кылмыштуу жерлерден ташылып, жакшы жабдылган лабораторияларга өткөрүп бериши керек, ал жерде далилдер кымбат баалуу машиналар болуп иштебестен мурун кезекте турат.

Nanopore секвенсия сенсорлору геномика тармагына кошумча болуп саналат жана базар лидери Иллюминанын чыгарган сыяктуу салттуу секвенсия платформаларын алмаштыра албайт. Бул ДНКнын тизмектелген платформалары өтө так, ошондуктан аларды бүт геномду (эки-эки жолу) окуу үчүн алмаштырылгыс кылат, демек, адамдардын генетикалык өзгөрүүлөрүнүн кайсы ооруларга алып келерин аныкташ керек.

Мындай иштин түрү азыркы учурда Министрациянын күчү эмес. Анын ката деңгээли болжол менен 5 пайызды түзөт, демек, ар бир 20 нуклеотидден бирден ката кетет. Эки адамдын ортосундагы айырмачылык 0,1 пайызды түзөт (1000 нуклеотиддин бир вариациясы). Бирок МинИОНдун окуулары, биз кылмыштуулукту талдоо үчүн иштеп чыккан алгоритмге өтүүгө жетиштүү. Бул алгоритм кылмыш болгон жерден табылган чачтын же башка материалдын жеке адамдын полициянын атайын маалымат базасында дал келүү ыктымалдыгын эсептейт.

Мунун эмне үчүн өтө ката кетирилгенин билүү үчүн, сизге "Волдаморд" деген ат берем деп ойлоп, мага кайсы китепти колдонуп жатканымды айтууңузду өтүнөбүз. Сиз Гарри Поттер китебин тааный аласыз, анткени сиздин башыңызда окуу аркылуу түзүлгөн маалымат базасы бар, бирок мен сизге берип жаткан сөздө жазуулар бар. Сизге 300 беттен турган китепти кайрадан окуп чыгуунун же "Волдеморттун" туура чагылдырылышын талап кылуунун кажети жок. Геномика ошол эле принцип боюнча иштейт. Сизде пайдалуу маалыматтар базасы бар болгондо, туздалган үлгүлөрдө кайсы бактериялардын түрлөрүн же кээде ДНКнын кайсы адамдан келгенин аныктоо үчүн ДНКнын бир аз гана маалыматы керек.

Азыр белгилүү ДНК ырааттуулугу доору жакындап калгандыктан, биз генетикалык сабаттуулугун өркүндөтүшүбүз керек. Бул геномдук "чоң маалыматты" кантип колдонобуз? Ушундай суроолорду чечүү үчүн Янив Эрлих экөөбүз 2015-жылы Колумбия университетинин Информатика бөлүмүндө Убикутивдүү геномика деген сабакты баштадык. Биз студенттерге ушул заманбап технология жөнүндө айтып бердик жана алардын потенциалын байкап көрдүк. Студенттер өз колдору менен ДНКны кезектешип, маалыматтарды талдоо үчүн эсептөө методдорун иштеп чыгууга үндөштү. Бул аракеттердин “интегративдик окутууда” ийгилиги бизди мектеп окуучуларын геномика жана маалыматтарды талдоого тартууга окшош бир нерсе жасай алабыз деп ойлоого түрттү. Ушул максат менен PlayDNA түздүк.

MinION менен колдонулган микропипетанын жабылышы. (Оксфорд Нанопорунун боорукердиги)

Биринчи PlayDNA пилоттук классынын башталышына бир күн калганда, мен түшкү тамактан бир нече ингредиенттерди бөлүп алдым, кийинчерээк студенттер табышмактуу ДНК үлгүсүнө айланды. PlayDNA класстарга ДНК алуу жана ДНК китепканаларын даярдоодо тынчсызданбоо үчүн инфраструктураны камсыз кылат, ошондуктан студенттер ДНКны кезек-кезеги менен берилиштерин чечмелеп бере башташат. Микропипеттеги бир нече саат окутуудан өткөн 12 жаштагы жыйырма окуучу класска келгенден эки саат өткөндөн кийин ДНКны кезектештирип алышкан. Чыныгы убакыт режиминде биологиялык маалыматты чоң маалыматка айлантуу бул теманы жандандырат; Студенттер көргөн ДНК окуусунан кайсы түрдү байкап көрүүгө болорун билүүгө ынтызар болушту. Кийинки жумада алардын тапшырмасы маалыматтарды талдоо жана менин түшкү тамактын курамын аныктоо болду. Кийинки жумада бир топ: «Софи, сиз томат салатын жана кой этин түшкү тамакка жеген жоксузбу?» - деп сурашты.

Ашканадагы эсептегичиңиз үчүн технология даярбы? Мен бир аз убакыт бош туруп калам. Клеткаларды ачуу жана ДНКны тазалоо сыяктуу кадамдарды ырааттуулукка чейин чечүү үчүн дагы деле бир нече жолу талап кылынат. Оксфорд Нанопоре дагы ушул кадамдарды автоматташтыруунун жолдорун иштеп жатат. Акыры, мен балдар SmidgION колдонуп, сейил бакта Pokemon Go жаңы нускасын ойногон үй-бүлөнү көрө алам, апам атасынан: "Дарлинг, сен дасторкон койдуң беле, лазаньяны кезек менен койдуң беле?"

Софи Заиайер - Нью-Йорктогу Геном Борборунун кызматкери жана PlayDNA компаниясынын директору. Ал орто мектептер, орто мектептер жана университеттик билим берүү үчүн геномдук-маалымат сабактарын иштеп чыгууда.