Հարմարանք, որը կատարում է ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը երեխայի խաղը

MinION- ի ճաքերը բացում են կենսատեխնիկան զանգվածների համար ՝ ԱՀ-ի ժողովրդավարացված հաշվարկների ձևով: Ի՞նչ ենք անելու այս նոր ուժի հետ:

The Minion (քաղաքավարություն Օքսֆորդի նանոպորից)

Ես երեքշաբթի կեսօրին եմ, և Նյու Յորքում 12-ամյա Պոպին կանգնած է իր դասի առջև և իր հասակակիցներին բացատրում է, թե ինչպես կարելի է կարդալ կյանքի ծածկագիրը ՝ անցնելով ԴՆԹ-ի ճյուղ ՝ նանոպոր կոչվող մի բանի միջոցով: . Որպես PlayDNA- ի մի ծրագիր, որը ես հիմնադրել եմ, ուսանողները վերջին շաբաթվա ընթացքում վարունգ են թթու պատրաստում: Նրանք թթու բանկաների մեջ չափել են հեղուկի pH- ն ու աճող ամպամածությունից տեսել են, որ մանրէների բջիջների քանակը կրկնապատկվում է: Եվ ի տարբերություն նրանց առջև գիտության դասերի սերունդների, նրանք բանկաներից նմուշներ են վերցրել `իրենց ԴՆԹ-ով որոշելու համար մանրեների տեսակները:

Հիմա եկել է ժամանակը, որ նրանց թթու բանկաների մեջ անտեսանելի կյանքը բացահայտի: Ուսանողները հավաքվում են սեղանի շուրջ և իրենց ուսուցչի հետ միասին ԴՆԹ-ի իրական մանրէազերծիչի մեջ դնում են իրական բակտերիալ ԴՆԹ նմուշը, որը պարզապես միանում է համակարգչի USB պորտին: Մի քանի րոպե անց առաջին ԴՆԹ-ի ընթերցումները իրական ժամանակում հայտնվում են իրենց էկրանին:

Դա հնարավոր է միջնակարգ դպրոցում, քանի որ ԴՆԹ-ի մանրանկարչությունը համադրող է, որը կոչվում է Minion, որը պատրաստվել է Oxford Nanopore Technologies- ի կողմից: Մոտ երկու տարի է, ինչ ես օգտագործում եմ այս սարքը Նյու Յորքի գենոմի կենտրոնում, որտեղ ես ուսումնասիրում եմ, թե ինչպես օգտագործել այն ԴՆԹ-ի նմուշների վերագրանցման համար: Իմ խորհրդատուն ՝ Յանիվ Էրլիխը, և ես առաջինն ենք այն կիրառել Կոլումբիայի համալսարանի դասարան, և այժմ այն ​​տեղական դպրոցներում մեր PlayDNA ծրագրի մի մասն է: Համոզված եմ, որ այն տեխնոլոգիայի կարևորագույն կետ է: ԴՆԹ-ի դյուրակիր ճշգրտումը հնարավորություն է տալիս յուրաքանչյուրին, ոչ միայն գիտնականներին, տեսնել կյանքը ավելի բարձր լուծմամբ, քան կարող է ապահովել ամենաերջանիկ տեսախցիկը, և նույնիսկ արարածի հեռանալուց հետո: Մենք կարող ենք ընդարձակել մեր տեսլականը `տեսնելու բոլոր տեսակները, և ոչ միայն այն, ինչը տեսանելի է անզեն աչքով:

Minion- ն արժի $ 1000 և կոնֆետների չափս է: Այն միանում է նոութբուքային համակարգչի USB պորտին: ԴՆԹ-ի նմուշը կարդալու համար դուք օգտագործում եք միկրոտրիպ ՝ «ԴՆԹ գրադարան» (ավելին ՝ մեկ րոպեի ընթացքում) Minion- ի չափի միլիմետր չափով բացելու միջոցով: Սարքի ներսում կան նանոպորներ, կոններ, որոնք ավելի քան մեկ միլիարդերորդ մետր լայնություն ունեն, տեղադրված են մեմբրանի մեջ: Այս նանոպորների միջով հոսում է կայուն իոնային հոսանք: Քանի որ յուրաքանչյուր նուկլեոտիդ (A, T, C կամ G) ունի յուրահատուկ մոլեկուլային դիմահարդարում, յուրաքանչյուրը ձևավորվում է մի փոքր այլ կերպ: Ծակոտի միջով անցնող եզակի ձևը խանգարում է իոնային հոսքին հատուկ ձևով: Justիշտ այնպես, ինչպես մենք կարող ենք ձևավորել մի հիմք ՝ վերլուծելով դրա ստվերը պատի վրա, մենք կարող ենք կորզել նուկլեոտիդի ինքնությունը ՝ իր առաջացրած անկարգություններից մինչև իոնների հոսքը: Այսպես է սարքը փոխակերպում հիմքերը բիթերի այդ հոսքի համակարգչի:

Պատկերացում, թե ինչպես է ԴՆԹ-ն և հոսքը հոսում նանոպորով: (Օքսֆորդի նանոպոր քաղաքավարությամբ)

Մենք առայժմ ի վիճակի չենք ուղղակիորեն միկրոֆիտային թթու հյութը մտցնել Minion- ի մեջ: Թվարկված ԴՆԹ գրադարանը պատրաստելու համար պահանջվում են որոշ առաջադեմ քայլեր: Նախ պետք է ճեղքել բջիջները թթու հյութի մեջ և մաքրել դրանց ԴՆԹ-ն: Բջիջները բոլորն էլ տարբեր են. Դուք կարող եք հիշել կենսաբանության դասից, որ բույսերի բջիջների պատերը, ի տարբերություն մանրեների բջջային պատերի, որոնք ի տարբերություն կաթնասունների բջիջների թաղանթների են, և յուրաքանչյուր բջիջի տեսակը պահանջում է իր սեփական մեթոդը: Այնուհետև մաքրված ԴՆԹ-ն պետք է պատրաստվի այնպես, որ Մինիոնը կարողանա իրականում կարդալ այն: ԴՆԹ-ի գրադարան ստեղծելու այս քայլերը պահանջում են այնպիսի սարքավորումներ, որոնք դեռևս ոչ օգտակար են ոչ մասնագետի համար, ներառյալ ՝ միկրոկենտրոնացման և ջերմային հեծանվորդի (Դեմոկրատացման ԴՆԹ-ի մատնահետքերի վրա), դուք կարող եք տեսնել, որ ես կատարում եմ այս գրադարանի պատրաստումը և ԴՆԹ-ի հաջորդականացումը տանիքում: Նյու Յորք քաղաք): Բայց հետագայում այս քայլերն արվելու են նաև մեկ, դյուրակիր մանրանկարչությամբ սարքով:

Սա կբացի դաշտը: Մարդիկ կկարողանան օգտագործել MINION- ը իրենց խոհանոցներում `ստուգելու իրենց պատրաստի լագաղնայի պարունակությունը (իսկապես պարունակում է տավարի միս, թե՞ այդ ձիու՞մ է:), կամ այն ​​օգտագործել պաթոգենների և ալերգենների հսկողության համար: Oxford Nanopore- ը նույնիսկ նախատեսում է մեկ քայլ առաջ գնալ SmidgION- ի միջոցով. ԴՆԹ-ի համադրիչ, որը կարող եք միացնել ձեր հեռախոսը:

Բայց մենք դեռ նոր ենք սկսում տեսնել, թե մարդիկ ինչով են զբաղվելու այս տեխնոլոգիայով: Գիտնականներն օգտվել են Minion- ի հնարավորությունից `հեռավոր տարածքներում կենսաբազմազանությունը դիտարկելու համար, ինչպիսիք են Անտարտիկայի ՄակՄուրդոյի չոր հովիտները: NASA- ն օգտագործում է սարքը տիեզերագնացների առողջության վիճակը տարածության մեջ վերահսկելու համար և, ի վերջո, կարող է այն օգտագործել արտասահմանյան կյանքը պատկերացնելու համար: Քենիայի իշխանությունները շուտով կարող են անմիջապես ստուգել, ​​թե արդյոք միսը ապօրինի որսագողություն է առաջ բերվում:

Նյու Յորքի գենոմի կենտրոնի մեր լաբորատորիան մենք մշակեցինք մի մեթոդ ՝ Minion- ը գործածելու համար հանցագործությունների վայրերում: Մենք գիտակցեցինք, որ դյուրակիր համադրիչը, որը կարող է րոպեներով արդյունքներ տալ, կարող է քննիչներին հնարավորություն ընձեռել զոհեր կամ կասկածյալներին նույնականացնելու ուղղությամբ: Դատաբժշկական ավանդական մեթոդները կարող են տևել օրեր, երբեմն շաբաթներ: Դա այն է, որ ինչ-որ մեկը ստիպված է նմուշները տեղափոխել հանցագործության տեսարաններից մինչև լավ հագեցած լաբորատորիաներ, որտեղ ապացույցները նստում են հերթով ՝ նախքան վարվելը, չնայած թանկ մեքենաներ:

Նանոպորների ճշգրտման սենսորները գենոմիկայի ոլորտի լրացում են և դժվար թե փոխարինեն ավելի ավանդական հաջորդականացման հարթակները, ինչպես շուկայի առաջնորդ Իլյումինայի արտադրածը: ԴՆԹ-ի ճշգրտման այդ պլատֆորմները չափազանց ճշգրիտ են, ինչը նրանց անփոխարինելի է դարձնում մի ամբողջ գենոմ (մի քանի անգամ) կարդալու համար, ինչը, ասենք, անհրաժեշտ է, որպեսզի որոշեն, թե մարդկանց գենետիկական տատանումները ինչով են հանգեցնում հիվանդություններին:

Նման աշխատանքը ներկայումս Մինիոնի ուժը չէ: Այն ունի մոտավորապես 5 տոկոսի սխալի արագություն, ինչը նշանակում է, որ յուրաքանչյուր 20 նուկլեոտիդներում կա մեկ ընթերցման սխալ: Դա բարձր է հաշվի առնելով, որ երկու անհատների միջև տարբերությունը 0,1 տոկոս է (յուրաքանչյուր 1000 նուկլեոտիդներից մեկ տատանում): Բայց Minion- ի ընթերցումը դեռևս բավականաչափ լավ է, որպեսզի սնվի այն ալգորիթմի մեջ, որը մենք մշակեցինք հանցագործությունների դեպքերի վերլուծության համար: Այս ալգորիթմը հաշվարկում է հավանականությունը, որ հանցագործության վայրում հայտնաբերված մազերը կամ մի շարք այլ նյութեր համապատասխան են անհատի ոստիկանության հատուկ տվյալների բազայում:

Հասկանալու համար, թե ինչու է սա աշխատում նույնիսկ սխալի բարձր մակարդակով, պատկերացրեք, որ ես ձեզ անուն եմ տալիս «Վոլդեմորդ» անունը և խնդրում եմ, որ ասեք ինձ, թե որ գիրքին եմ վերաբերում: Կարող եք ճանաչել, որ դա «Հարի Փոթեր» գիրքն է, քանի որ ձեր գլխում ունեք տվյալների բազա, որը ձևավորվել է ընթերցանության միջոցով, չնայած այն բանին, որ ես ձեզ ասում եմ բառակապակցություններ: Անհրաժեշտ չէ կրկին կարդալ ամբողջ 300 էջանոց գիրքը կամ «Voldemort» - ը ճիշտ ներկայացնել: Գենոմիկան գործում է նույն սկզբունքով: Օգտակար տվյալների բազա ունենալուց հետո ձեզ հարկավոր է միայն մի քանի տեղեկատվական ԴՆԹ բեկորներ, որպեսզի պարզեք, թե որ բակտերիալ տեսակները առկա են թթու նմուշների մեջ կամ երբեմն նույնիսկ, թե որ անձից է եկել ԴՆԹ-ն:

Այժմ, երբ մոտենում են ԴՆԹ-ի համատարած ճշգրտման դարաշրջանը, մենք պետք է բարելավենք գենետիկական գրագիտությունը: Ինչպե՞ս ենք վարվում այս գենոմիկական «մեծ տվյալների» հետ: Նման հարցերի լուծման համար ես և Յանիվ Էրլիխը 2015-ին սկսեցինք Կոլումբիայի համալսարանի համակարգչային գիտությունների ամբիոնում Ubiquitous Genomics կոչվող դասը: Մենք ուսանողներին սովորեցրինք այս առաջատար տեխնոլոգիաների մասին և նրանց ստիպեցինք փորձել ներուժը: Ուսանողները հաջորդականացրեցին ԴՆԹ-ն իրենց ձեռքերով և խրախուսվեցին մշակել հաշվարկային մեթոդներ ՝ իրենց տվյալները վերլուծելու համար: «Ինտեգրատիվ ուսման» մեջ այս ջանքերի հաջողությունը մեզ խրախուսեց մտածել, որ կարող ենք նման բան անել, որպեսզի դպրոցականները գենոմիկայի և տվյալների վերլուծության մեջ ներգրավվեն: Մենք հիմնել ենք PlayDNA- ն այդ նպատակով:

Minion- ի հետ օգտագործված միկրոկապանայի մոտ: (Օքսֆորդի նանոպոր քաղաքավարությամբ)

Առաջին PlayDNA փորձնական դասի մեկնարկից մեկ օր առաջ ես առանձնացրեցի մի քանի բաղադրիչ իմ ճաշից, որը հետագայում կավարտվեր առեղծվածային ԴՆԹ նմուշի մեջ, որը ուսանողները պետք է ճանաչեին: PlayDNA- ն դասասենյակների ենթակառուցվածքն է ապահովում, որպեսզի չհանգստանան ԴՆԹ-ն արդյունահանելուց և ԴՆԹ-ի գրադարանները պատրաստելուց, այնպես որ ուսանողները կարող են անմիջապես սկսել ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը և մեկնաբանել իրենց տվյալները: Քսան 12 տարեկան ուսանողներ, որոնք ընդամենը մի քանի ժամ տևողությամբ միկրոիպիպետային դասընթացներ էին անցնում, դասարան գալուց ոչ մի երկու ժամ հետո ԴՆԹ-ն էին հաջորդում: Կենսաբանական տեղեկատվության մեծ ժամանակում իրական տվյալների վերածումը ենթադրում է թեման. ուսանողները ցանկանում էին իմանալ, թե որ տեսակները կարող են հայտնաբերվել ԴՆԹ-ի ընթերցումների մեջ, որոնք նրանք տեսնում էին: Հաջորդ շաբաթվա նրանց առաջադրանքն էր վերլուծել տվյալները և պարզել իմ ճաշի բաղադրիչներն ու դրանց հարաբերակցությունը: Իհարկե, հաջորդ շաբաթ մի խումբ հարցրեց. «Սոֆի, լանչ լոլիկի աղցան և ոչխարի միս կերա՞ր»:

Տեխնոլոգիան պատրաստ է ձեր խոհանոցի վաճառասեղանին: Ես ստիպված կլինեի որոշ ժամանակ տեղ զբաղեցնել: Դեռևս անհրաժեշտ է իմանալ, թե ինչպես վարվել քայլերը ճշգրտումից առաջ, ինչպես բջիջները բացել և ԴՆԹ-ն մաքրել: Օքսֆորդ Նանոպորը, սակայն, աշխատում է նաև այս քայլերը ավտոմատացնելու ուղիների վրա: Ի վերջո, ես կարող եմ կանխատեսել մի ընտանիք, որտեղ երեխաները օգտագործում են SmidgION- ը Pokemon Go- ի նոր տարբերակ խաղալու համար նախատեսված այգում իրական տեսակների հետ, իսկ մայրիկը հայրիկին հարցնում է.

Sophie Zaaijer- ը Նյու Յորքի գենոմի կենտրոնի հետդոկտորանտային գործընկեր և PlayDNA- ի գործադիր տնօրենն է, որը մշակում է գենոմային տվյալների դասեր միջին դպրոցների, ավագ դպրոցների և համալսարանական կրթության համար: