Гаҷет, ки бозии кӯдакро ба таври ДНК пайдарпай месозад

MinION биотехнологияро ба омма ҳангоми тарзи демократикунонии компютер зарба мезанад. Мо бо ин қудрати нав чӣ кор хоҳем кард?

Минион (Эҳтироми Нанопораи Оксфорд)

Ман як рӯзи сешанбе ҳастам ва Поппӣ, духтари 12-солаи Ню Йорк дар назди синфи худ истода ба ҳамсолонаш мефаҳмонад, ки чӣ тавр тавассути гузарондани риштаи ДНК тавассути чизе нанопораро хондан, кодекси ҳаётро хондан мумкин аст. . Ҳамчун як барномаи PlayDNA, ки ман бо он таъсис додам, дар тӯли як ҳафта донишҷӯён бодиринг ҷамъ карданд. Онҳо рН-и моеъро дар ыуттии шарбат чен карданд ва аз абрнокшавии афзоянда диданд, ки шумораи ҳуҷайраҳои бактерияҳо дучанд шуда истодаанд. Ва бар хилофи наслҳои синфҳои илмии пеш аз онҳо, онҳо аз зарфҳо барои муайян кардани намудҳои бактерияҳо тавассути ДНК-и худ намунаҳо гирифтанд.

Ҳоло вақти он расидааст, ки ҳаёти нонамоёнро дар зарфҳои шарбатии худ кушоед. Донишҷӯён дар атрофи миз ҷамъ меоянд ва дар якҷоягӣ бо устоди худ намунаи ДНК-и бактериявиро ба сексиери хурд ДНК мегузоранд, ки онро ба порти USB -и компютер мепайвандад. Пас аз чанд дақиқа аввалин хондани ДНК дар вақти воқеӣ дар экран пайдо мешавад.

Ин мумкин аст, ки дар мактаби миёна аз ҳисоби секвенерҳои ДНК миниатюр, ки Minion ном дорад, аз ҷониби Oxford Nanopore Technologies сохта шудааст. Ман тақрибан ду сол аст, ки ин дастгоҳро дар Маркази геномии Ню-Йорк истифода мекунам ва дар он ҷо таҳқиқ мекунам, ки чӣ гуна онро барои дубора ташхис додани намунаҳои ДНК истифода мекунам. Мушовири ман Янив Эрлих ва ман аввалин шуда, онро дар синфхонаи Донишгоҳи Колумбия татбиқ кардам ва ҳоло он як қисми барномаи PlayDNA дар мактабҳои маҳаллӣ мебошад. Боварӣ дорам, ки он як марҳилаи технологияро нишон медиҳад. Тартиби пайдарпайии ДНК, ба ҳама, на танҳо олимон, имкон медиҳад, ки ҳаётро нисбат ба камераи аз ҳама дурдасттарин таъмин карда тавонанд - ва ҳатто пас аз нест шудани махлуқ. Мо метавонем чашми худро васеътар кунем, то на ҳамаи намудҳо, балки ҳама намудҳо намоён шаванд.

MinION нархи он 1000 доллар аст ва андозаи қуттичаи қандӣ. Он ба порти USB-и ноутбук пайваст мешавад. Барои он ки намунаҳои ДНК-ро хонед, шумо микропипетро бо истифода аз "Китобхонаи ДНК" (бештар дар як дақиқа) тавассути кушодани миллиметрӣ дар MinION истифода мебаред. Дар дохили дастгоҳ нанопораҳо ҳастанд, ки конусҳо беш аз якуним миллиард метрро дар мембрана ҷойгир мекунанд. Ҷараёни доимии ион аз ин нанопораҳо мегузарад. Азбаски ҳар як нуклеотид (A, T, C ё G) дорои таркиби молекулавии нодир мебошанд, ҳар яке аз онҳо каме ба таври гуногун шакл мегиранд. Шакли беназири аз қубур гузашта, ҷараёни ионро ба таври муайян бозмедорад. Чӣ тавре ки мо бо таҳлили сояи он дар девор шакл ба даст меорем, мо шахсияти нуклеотидро аз вайроншавии он то кунун ион ба вуҷуд меорем. Ин аст дастгоҳ асосҳоро ба битҳои ҷараёнро ба компютер табдил медиҳад.

Тасаввур дар бораи он ки чӣ гуна ДНК ва ҷараён аз нанопор мегузаранд. (Эълони Оксфорд Нанопор)

Мо ҳоло наметавонем мустақиман афшураи шарбатро ба микропипетсия ба MinION супорем. Барои тайёр кардани китобхонаи ДНК-и пайдарпай, якчанд қадамҳои пешрафта лозиманд. Аввалан шумо бояд кушодани ҳуҷайраҳо дар шарбати шарбат ва ДНК-и худро пок кунед. Ҳуҷайраҳо ҳама гуногунанд - шумо шояд аз синфи биология бифаҳмед, ки деворҳои ҳуҷайраи растанӣ ба деворҳои ҳуҷайраҳои бактериявӣ, ки ба мембранаҳои ҳуҷайраҳои ширхӯрда монанданд, монанданд - ва ҳар як намуди ҳуҷайра усули худро талаб мекунад. Пас, ДНК-и тозашударо тавре омода кардан лозим аст, ки Minion дар ҳақиқат онро хонда тавонад. Ин қадамҳо барои сохтани китобхонаи ДНК мошинҳоеро талаб мекунанд, ки барои мутахассисе, ки ҳанӯз корношоям аст, аз ҷумла микро-центрифуга ва термоциклёр (ҳангоми демократикунонии DNA Dingerprinting шумо мебинед, ки ман ин китобхонаро ба тартиб дароварда ва пайкарбандии ДНК дар болои бом Ню Йорк). Аммо дар оянда ин қадамҳо дар дастгоҳи миниётураҳои ягона ва портативӣ низ иҷро карда мешаванд.

Ин майдонро мекушояд. Одамон метавонанд дар ошхонаҳои худ MinION-ро барои санҷидани мундариҷаи лазагияи тайёрашон истифода баранд (оё он дар ҳақиқат гӯшти гов дорад ё гусфанд аст?) Ё ин ки онро барои назорати микроорганизмҳо ва аллергенҳо истифода мебаранд. Оксфорд Нанопор ҳатто мехоҳад бо қадами SmidgION як қадам ба пеш гузорад: секвенсери ДНК, ки шумо метавонед онро ба телефонатон пайваст кунед.

Аммо, мо ҳанӯз ҳам дар оғоз мебинем, ки одамон бо ин технология чӣ кор хоҳанд кард. Олимон аз қобилияти иқтидори MinION барои назорат кардани гуногунии биологӣ дар минтақаҳои дурдаст, ба монанди Макта Мурти хушк, Вартарҳо истифода карданд. NASA ин дастгоҳро барои назорат кардани вазъи солимии кайҳоннавард дар фазо истифода мебарад ва дар ниҳоят метавонад онро барои тасаввур кардани зиндагии сайёҳии заминӣ истифода барад. Мақомот дар Кения метавонанд ба зудӣ фавран тафтиш кунанд, ки оё гӯшт аз шикори ғайриқонунии гӯшт омадааст ё на.

Дар лабораторияи мо дар Маркази Геномаи Ню-Йорк мо методро барои истифодаи MinION дар ҷойҳои ҷиноят таҳия кардем. Мо фаҳмидем, ки секвенсиони сайёр, ки метавонад дар тӯли якчанд дақиқа натиҷаҳоро ба даст орад, метавонад ба муфаттишон дар шиносоии қурбониён ё гумонбарон оғоз бахшад. Усулҳои анъанавии криминалистӣ метавонад рӯзҳо, баъзан ҳафтаҳо гузаранд. Ин аз он сабаб аст, ки касе бояд намунаҳоро аз саҳнаи ҷиноят ба лабораторияҳои хуб муҷаҳҳаз интиқол диҳад, ки дар онҷо далелҳо пеш аз мошинҳои гаронбаҳо дар навбат меистанд.

Сенсорҳои пайдарпаии Nanopore як майдони геномика мебошанд ва гумон аст, ки платформаҳои анъанавии пайдарпай ба монанди онҳое, ки аз ҷониби роҳбари бозор истеҳсол карда шудаанд, Иллюминаро иваз кунанд. Он платформаҳои пайдарпаии ДНК бениҳоят дақиқанд ва онҳоро барои хондани як геном (ду маротиба) ҳатмӣ мекунанд. Яъне муайян кардани он, ки кадом вариантҳои генетикии одамон ба касалиҳо оварда мерасонанд.

Чунин намудҳои кор айни замон қудрати ВКД-ро надорад. Сатҳи хатогӣ тақрибан 5 фоизро ташкил медиҳад, ки ин маънои онро дорад, ки дар ҳар 20 нуклеотид як хатои хониш мавҷуд аст. Бо назардошти он ки фарқи байни ду шахс 0,1 фоизро ташкил медиҳад (як вариант ба ҳар 1000 нуклеотид). Аммо нишондоди MinION ҳанӯз ҳам кофӣ аст, то ба алгоритми таҳияшуда барои таҳлили саҳнаи ҷинояткорӣ омода шавем. Ин алгоритм эҳтимолияти мувофиқат кардани мӯй ё ягон маводи дигар дар ҷои ҷиноят ба шахси инфиродӣ дар пойгоҳи махсуси полис ҳисоб мекунад.

Барои фаҳмидани он, ки чаро ин ҳатто бо хатогиҳои зиёд кор мекунад, тасаввур кунед, ки ман ба шумо “Волдаморд” ном мегузорам ва аз шумо хоҳиш мекунам, ба ман бигӯед, ки ба кадом китоб муроҷиат мекунам. Шумо метавонед ин китоби Гарри Поттерро эътироф кунед, зеро дар саратон манбаи маълумоте доред, ки тавассути хондан ташаккул ёфтааст, гарчанде ки калимаҳое, ки ман ба шумо медиҳам, чоп карда мешаванд. Ба шумо лозим нест, ки тамоми китоби 300 саҳифаро аз нав хонед ё "Волдеморт" -ро дуруст пешниҳод кунед. Геномика мувофиқи ҳамин принсип кор мекунад. Пас аз як пойгоҳи иттилоотии муфид, ба шумо танҳо қисмҳои иттилоотии ДНК лозим аст, то муайян кунед, ки кадом намунаҳои бактерияҳо дар намунаҳои шарбат мавҷуданд ё ҳатто баъзан ҳатто ДНК аз кадом шахс омадаанд.

Ҳоло, ки давраи пайдарпайии ДНК дар ҳама ҷо наздик шуда истодааст, мо бояд саводнокии генетикиро беҳтар кунем. Мо ин “маълумоти калон” -ро чӣ гуна ба кор мебарем? Барои ҳалли ин гуна саволҳо, Янив Эрлих ва ман дар соли 2015 дар кафедраи фанҳои компютерии Донишгоҳи Колумбия дарс бо номи геномикаи фарогирро кушодем. Мо ба донишҷӯён дар бораи ин технологияи муосир дарс додем ва онҳоро бо таҷрибаҳои потенсиалӣ шинос кардем. Донишҷӯён бо дасти худ ДНК-ро пайгирӣ карданд ва ташвиқ карда шуданд, ки усулҳои ҳисоббарории таҳлили маълумотҳои худро таҳия кунанд. Муваффақияти ин кӯшишҳо дар “омӯзиши ҳамгироӣ” моро водор сохт, ки фикр кунем, ки мо барои ҷалби хонандагони мактаб дар геномика ва таҳлили маълумот коре анҷом диҳем. Мо бо ин мақсад PlayDNA таъсис додаем.

Наздикии микропрютер бо MinION истифода мешавад. (Эълони Оксфорд Нанопор)

Як рӯз пеш аз оғози синфи аввалини пилотии PlayDNA, ман аз хӯроки нисфирӯзӣ якчанд компонент ҷудо кардам, ки баъдтар намунаҳои сирфан ДНК-и донишҷӯён муайян карда мешуданд. PlayDNA барои синфхонаҳо инфрасохторро фароҳам меорад, то дар бораи гирифтани ДНК ва омода кардани китобхонаҳои ДНК хавотир набошанд, бинобар ин донишҷӯён фавран сексияи ДНК ва маълумотҳои онҳоро шарҳ дода метавонанд. Бисту талабаи 12-сола, ки ҳамагӣ ду соат омӯзиши микропипетта гирифта буданд, пас аз ду соат ба дарс омада, ДНК –ро пайдарпай ба роҳ монданд. Табдил додани вақти воқеии иттилооти биологӣ ба додаҳои калон мавзӯъро ҷолиб месозад; донишҷӯён сахт мехостанд бидонанд, ки кадом намуди хонданро дар хонишҳои ДНК мушоҳида кардан мумкин аст. Вазифаи онҳо барои ҳафтаи оянда аз таҳлили маълумот ва муайян кардани компонентҳо ва таносуби хӯроки нисфирӯзии ман иборат буд. Ҳафтаи дигар як гурӯҳ пурсид: "Софи, шумо хӯриш помидор ва гӯшти гӯсфандонро барои хӯроки шом хӯрдед?"

Оё технология барои сехи ошхонаатон омода аст? Ман муддате дар фазо истоданро нигоҳ медоштам. Ҳанӯз ҳам баъзе аз амалҳои ноуҳдабароии марҳилаҳои пеш аз пайдарпаӣ, ба монанди шикастани ҳуҷайраҳо ва тоза кардани ДНК лозим аст. Оксфорд Нанопор инчунин роҳҳои автоматикунонии ин қадамҳоро кор карда истодааст. Дар ниҳоят, ман метавонам оилаеро тасаввур кунам, ки дар он кӯдакон SmidgION-ро истифода мебаранд, ки нусхаи нави Pokemon Go дар боғ навозиш кунад, дар ҳоле ки модар аз падар мепурсад: "Эй азизон, шумо мизро нишастед ва ласагнаро пайравӣ кардед?"

Софи Зайайер як постдоктор дар Маркази Genome New York ва Директори PlayDNA мебошад, ки синфҳои маълумотҳои геномиро барои мактабҳои миёна, мактабҳои миёна ва таҳсилоти донишгоҳҳо таҳия мекунад.