Gadgeten som lager DNA-sekvensering av barns lek

MinION sprekker åpner bioteknologi for massene slik PC-en demokratiserte databehandlingen. Hva vil vi gjøre med denne nyvunne makten?

MinION (høflighet av Oxford Nanopore)

Jeg er en tirsdag ettermiddag og Poppy, en 12 år gammel jente i New York City, står foran klassen sin og forklarer sine jevnaldrende hvordan livskoden kan leses ved å føre en DNA-streng gjennom noe som kalles en nanopore . Som en del av PlayDNA, et program jeg grunnla, har studentene sylt agurker den siste uken. De har målt pH i væsken i sylteagurkene og så fra den økende tåkenen at antallet bakterieceller doblet seg. Og i motsetning til generasjoner med vitenskapsklasser før dem, har de tatt prøver fra glassene for å identifisere bakterieartene ved deres DNA.

Det er nå på tide å avsløre det usynlige livet i sylteagurkene sine. Studentene samles rundt bordet og setter sammen en lærer en ekte bakteriell DNA-prøve i en bitteliten DNA-sequenser, som ganske enkelt kobles til datamaskinens USB-port. Minutter senere vises den første DNA-lesingen i sanntid på skjermen.

Dette er mulig på en ungdomsskole på grunn av miniatyr-DNA-sekvenseren, kalt MinION, laget av Oxford Nanopore Technologies. Jeg har brukt denne enheten i nesten to år på New York Genome Center, hvor jeg undersøker hvordan jeg kan bruke den til å identifisere DNA-prøver på nytt. Min rådgiver, Yaniv Erlich, og jeg var de første som implementerte det i et Columbia University klasserom, og nå er det en del av PlayDNA-programmet vårt på lokale skoler. Jeg er overbevist om at det representerer en milepæl i teknologi. Bærbar DNA-sekvensering gir alle, ikke bare forskere, muligheten til å se livet i en høyere oppløsning enn det fanciest kameraet kan gi - og selv etter at en skapning er borte. Vi kan utvide visjonen vår for å se alle arter, ikke bare de som er synlige med det blotte øye.

MinION koster 1000 dollar og er på størrelse med en godteribar. Den kobles til en bærbar datamaskins USB-port. For å få den til å lese en DNA-prøve bruker du en mikropipette for å slippe et “DNA-bibliotek” (mer om det i løpet av et minutt) gjennom en millimeterstor åpning på MinION. Inne i enheten er nanoporer, kjegler en drøy milliarddel meter bredt, plassert i en membran. En jevn ionestrøm strømmer gjennom disse nanoporene. Siden hvert nukleotid (A, T, C eller G) har en unik molekylær sminke, er hver formet litt annerledes. Den unike formen som går gjennom porene, avbryter ionestrømmen på en spesifikk måte. Akkurat som vi kan utlede en form ved å analysere skyggen på en vegg, kan vi utlede en nukleotids identitet fra forstyrrelsene den forårsaker ionstrømmen. Slik konverterer enheten baser til biter som strømmer til en datamaskin.

En illustrasjon av hvordan DNA og en strøm strømmer gjennom en nanopore. (Med tillatelse fra Oxford Nanopore)

Vi har foreløpig ikke mulighet til å direkte mikropipette syltesaft til MinION. Noen avanserte trinn er nødvendige for å forberede DNA-biblioteket som er sekvensert. Først må du sprekke opp cellene i sylteagurken og rense deres DNA. Celler er forskjellige - du husker kanskje fra biologiklasse at plantecellvegger ser ut i motsetning til bakteriecellevegger, som er ulikt membranene til pattedyrceller - og hver celletype krever sin egen metode. Deretter må renset DNA tilberedes på en slik måte at MinION faktisk kan lese det. Disse trinnene for å lage DNA-biblioteket krever maskiner som ennå ikke er brukervennlige for en ikke-spesialist, inkludert en mikrosentrifuge og termosykler (på Democratizing DNA Fingerprinting kan du se meg utføre dette bibliotekets prep og DNA-sekvensering på et hustak i New York City). Men i fremtiden vil disse trinnene også bli gjort i en enkelt, bærbar miniatyrenhet.

Dette vil åpne feltet. Folk vil kunne bruke MinION på kjøkkenet sitt for å bekrefte innholdet i den ferdige lasagne (inneholder den virkelig storfekjøtt eller er det hestekjøtt?) Eller bruke det til overvåking av patogener og allergener. Oxford Nanopore planlegger til og med å gå et skritt videre med SmidgION: en DNA-sequenser du kan koble til telefonen din.

Men vi begynner fortsatt bare å se hva folk vil gjøre med denne teknologien. Forskere har benyttet seg av MinIONs bærbarhet for å overvåke biologisk mangfold i avsidesliggende områder som Antarticas McMurdo Dry Valleys. NASA bruker enheten for å overvåke astronauters helsetilstand i verdensrommet og kan etter hvert bruke den til å visualisere utenomjordisk liv. Myndighetene i Kenya kan snart sjekke umiddelbart om kjøtt kommer fra ulovlig krypskyting.

I vårt laboratorium på New York Genome Center utviklet vi en metode for å bruke MinION på krimsscener. Vi regnet med at en bærbar sequenser, som kan levere resultater på få minutter, kan gi etterforskerne et forsprang på å identifisere ofre eller mistenkte. Tradisjonelle rettsmedisinske metoder kan ta dager, noen ganger uker. Det er fordi noen må transportere prøvene fra kriminalscener til velutstyrte laboratorier, der bevisene sitter i en kø før de kjøres om enn dyre maskiner.

Nanopore sekvenseringssensorer er et tillegg til genomikkfeltet og vil sannsynligvis ikke erstatte de mer tradisjonelle sekvenseringsplattformene, som de som er produsert av markedslederen, Illumina. Disse DNA-sekvenseringsplattformene er ekstremt nøyaktige, noe som gjør dem uunnværlige for å lese et helt genom (et par ganger), og det er det som skal til for å bestemme hvilke genetiske variasjoner hos mennesker som fører til sykdommer.

Den typen arbeid er foreløpig ikke styrken til MinION. Den har en feilrate på omtrent 5 prosent, noe som betyr at det er en lesefeil hvert 20. nukleotid. Det er høy med tanke på at forskjellen mellom to individer er 0,1 prosent (en variant hver 1000 nukleotider). Men avlesningen fra MinION er fortsatt god nok til å mate inn algoritmen som vi utviklet for analyse av kriminalitet. Denne algoritmen beregner sannsynligheten for at hår eller annet materiale som er funnet på et forbrytelsessted matcher en person i en spesiell politidatabase.

For å forstå hvorfor dette fungerer selv med den høye feilprosenten, kan du tenke deg at jeg gir deg navnet “Voldamord” og ber deg fortelle meg hvilken bok jeg viser til. Du kjenner kanskje igjen at det er en Harry Potter-bok fordi du har en database i hodet som er dannet gjennom lesing, selv om det er skrivefeil i ordet jeg gir deg. Du trenger ikke å lese hele 300 siders bok eller få “Voldemort” presentert helt riktig. Genomikk fungerer etter samme prinsipp. Når du har en nyttig database, trenger du bare noen informative DNA-fragmenter for å identifisere hvilke bakteriearter som er til stede i sylteagurkene eller noen ganger til og med hvilken person DNAet kom fra.

Nå som epoken med allestedsnærværende DNA-sekvensering nærmer seg, må vi forbedre genetisk leseferdighet. Hvordan håndterer vi denne genomiske "big data"? For å ta opp slike spørsmål startet Yaniv Erlich og jeg en klasse som heter Ubiquitous Genomics på avdelingen for datavitenskap i Columbia University i 2015. Vi lærte studentene om denne nyskapende teknologien og fikk dem til å oppleve potensialet. Studentene sekvenserte DNA med egne hender, og ble oppfordret til å utvikle beregningsmetoder for å analysere dataene deres. Suksessen med denne innsatsen i "integrert læring" oppmuntret oss til å tro at vi kunne gjøre noe lignende for å engasjere skolebarn i genomikk og dataanalyse. Vi grunnla PlayDNA med det målet.

En nærbilde av mikropipetten som ble brukt med MinION. (Med tillatelse fra Oxford Nanopore)

Dagen før starten av den første PlayDNA-pilotklassen, satte jeg ut et par ingredienser fra lunsjen min som senere skulle havne i en mystisk DNA-prøve som studentene måtte identifisere. PlayDNA gir infrastrukturen for at klasserom ikke trenger å bekymre seg for å trekke ut DNA og forberede DNA-bibliotekene, slik at studentene kan begynne å sekvensere DNA med en gang og tolke dataene sine. Tjue 12 år gamle studenter, som bare fikk et par timer mikropipetttrening, sekvenserte DNA ikke to timer etter at de kom til klasserommet. Konvertering i sanntid av biologisk informasjon til big data gir liv til emnet; studentene var ivrige etter å vite hvilke arter som kunne bli oppdaget i DNA-avlesningene de så. Oppgaven deres for den påfølgende uken var å analysere dataene og identifisere ingrediensene og deres forhold til lunsj. Visst nok, den påfølgende uken spurte en gruppe: "Sophie, spiste du en tomatsalat og litt sauekjøtt til lunsj?"

Er teknologien klar for kjøkkenbenken din? Jeg ville holde på med å lage plass en stund. Det tar fortsatt litt kunnskap å håndtere trinnene før sekvensering, som å bryte cellene åpne og rense DNAet. Oxford Nanopore jobber imidlertid med måter å automatisere disse trinnene også. Etter hvert kan jeg se for meg en familie der barna bruker en SmidgION for å spille en ny versjon av Pokemon Go i parken med ekte arter, mens mamma spør pappa: "Kjære, satte du bordet og gjorde du sekvensen til lasagne?"

Sophie Zaaijer er postdoktor ved New York Genome Center og administrerende direktør for PlayDNA, som utvikler genomdata-klasser for ungdomsskoler, videregående skoler og universitetsutdanning.