Tiện ích tạo chuỗi DNA cho trẻ em chơi

MinION bẻ khóa công nghệ sinh học mở cho quần chúng theo cách PC dân chủ hóa điện toán. Chúng ta sẽ làm gì với sức mạnh mới phát hiện này?

The MinION (Lịch sự của Oxford Nanopore)

Tôi là một chiều thứ ba và Poppy, một cô bé 12 tuổi ở thành phố New York, đứng trước lớp và giải thích cho các bạn của mình về cách mã hóa cuộc sống có thể được đọc bằng cách đưa một chuỗi DNA qua một thứ gọi là nanopore . Là một phần của PlayDNA, một chương trình do tôi đồng sáng lập, các sinh viên đã chọn dưa chuột trong tuần qua. Họ đã đo độ pH của chất lỏng trong lọ dưa chua và nhận thấy từ độ đục ngày càng tăng mà số lượng tế bào vi khuẩn đang tăng gấp đôi. Và không giống như các thế hệ của các lớp khoa học trước họ, họ đã lấy các mẫu từ các lọ để xác định các loài vi khuẩn bằng DNA của họ.

Bây giờ là lúc để tiết lộ cuộc sống vô hình trong lọ dưa chua của họ. Các học sinh tập trung quanh bàn và cùng với giáo viên của họ đặt một mẫu DNA vi khuẩn thực sự vào một trình tự DNA nhỏ, chỉ cần cắm vào cổng USB của máy tính. Vài phút sau, lần đọc DNA đầu tiên xuất hiện trong thời gian thực trên màn hình của họ.

Điều này có thể xảy ra ở một trường trung học vì trình tự sắp xếp DNA thu nhỏ, được gọi là MinION, được tạo bởi Oxford Nanopore Technologies. Tôi đã sử dụng thiết bị này gần hai năm tại Trung tâm bộ gen New York, nơi tôi nghiên cứu cách sử dụng nó để nhận dạng lại các mẫu DNA. Cố vấn của tôi, Yaniv Erlich và tôi là người đầu tiên triển khai nó vào lớp học của Đại học Columbia, và bây giờ nó là một phần của chương trình PlayDNA của chúng tôi tại các trường học địa phương. Tôi tin rằng nó đại diện cho một cột mốc quan trọng trong công nghệ. Trình tự DNA di động trao quyền cho bất kỳ ai, không chỉ các nhà khoa học, thấy cuộc sống ở độ phân giải cao hơn máy ảnh kỳ lạ nhất có thể cung cấp - và ngay cả sau khi một sinh vật biến mất. Chúng ta có thể mở rộng tầm nhìn để nhìn thấy tất cả các loài, không chỉ những loài có thể nhìn thấy bằng mắt thường.

MinION có giá 1.000 USD và có kích thước bằng một thanh kẹo. Nó kết nối với cổng USB của máy tính xách tay. Để đọc mẫu DNA, bạn sử dụng micropipette để thả thư viện DNA DNA (nhiều hơn trong một phút) thông qua lỗ mở cỡ milimet trên MinION. Bên trong thiết bị là các nanopores, hình nón chỉ rộng hơn một phần tỷ mét, được đặt trong một màng. Một dòng ion ổn định chảy qua các hạt nano này. Vì mỗi nucleotide (A, T, C hoặc G) có cấu tạo phân tử duy nhất, mỗi loại có hình dạng khác nhau một chút. Hình dạng độc đáo đi qua lỗ chân lông làm gián đoạn dòng ion theo một cách cụ thể. Giống như chúng ta có thể suy ra hình dạng bằng cách phân tích bóng của nó trên tường, chúng ta có thể suy ra danh tính của một nucleotide từ các nhiễu loạn mà nó gây ra cho dòng ion. Đây là cách thiết bị chuyển đổi các cơ sở thành các bit truyền vào máy tính.

Một minh họa về cách DNA và dòng chảy qua một nanopore. (Lịch sự của Oxford Nanopore)

Chúng tôi chưa thể trực tiếp nước dưa chua micropipette vào MinION. Một số bước nâng cao được yêu cầu để chuẩn bị thư viện DNA được giải trình tự. Trước tiên, bạn phải mở các tế bào trong nước dưa chua và tinh chế DNA của chúng. Các tế bào đều khác nhau - bạn có thể nhớ lại từ lớp sinh học rằng thành tế bào thực vật trông không giống thành tế bào vi khuẩn, không giống như màng tế bào động vật có vú - và mỗi loại tế bào đòi hỏi phương pháp riêng. Sau đó, DNA tinh khiết cần phải được chuẩn bị theo cách mà MinION thực sự có thể đọc được. Các bước này để tạo thư viện DNA yêu cầu các máy chưa thân thiện với người dùng đối với người không chuyên, bao gồm máy ly tâm siêu nhỏ và máy quay vòng nhiệt (tại Democratizing DNA Fingerprinting, bạn có thể thấy tôi thực hiện chuẩn bị thư viện này và giải trình tự DNA trên tầng thượng Thành phố New York). Nhưng trong tương lai, các bước này cũng sẽ được thực hiện trong một thiết bị thu nhỏ di động.

Điều này sẽ mở ra các lĩnh vực. Mọi người sẽ có thể sử dụng MinION trong nhà bếp của họ để xác minh nội dung của lasagna làm sẵn của họ (nó có thực sự chứa thịt bò hay là thịt ngựa không?) Hoặc sử dụng nó để giám sát mầm bệnh và các chất gây dị ứng. Oxford Nanopore thậm chí còn có kế hoạch tiến thêm một bước với SmidgION: trình tự sắp xếp DNA mà bạn có thể cắm vào điện thoại.

Nhưng chúng ta vẫn chỉ bắt đầu thấy mọi người sẽ làm gì với công nghệ này. Các nhà khoa học đã tận dụng tính di động của MinION để theo dõi đa dạng sinh học ở những vùng xa xôi như Thung lũng khô McMurdo của Antartica. NASA đang sử dụng thiết bị để theo dõi tình trạng sức khỏe của các phi hành gia trong không gian và cuối cùng có thể sử dụng nó để hình dung cuộc sống ngoài trái đất. Các nhà chức trách ở Kenya có thể sớm kiểm tra xem thịt có xuất phát từ việc săn trộm bất hợp pháp hay không.

Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi tại Trung tâm bộ gen New York, chúng tôi đã phát triển một phương pháp sử dụng MinION tại hiện trường vụ án. Chúng tôi đã tìm ra rằng một trình sắp xếp di động, có thể cung cấp kết quả trong vài phút, có thể giúp các nhà điều tra bắt đầu xác định nạn nhân hoặc nghi phạm. Phương pháp pháp y truyền thống có thể mất vài ngày, đôi khi vài tuần. Đó là bởi vì ai đó phải vận chuyển các mẫu từ hiện trường vụ án đến các phòng thí nghiệm được trang bị tốt, nơi các bằng chứng nằm trong hàng đợi trước khi được chạy mặc dù máy móc đắt tiền.

Các cảm biến giải trình tự Nanopore là một bổ sung cho lĩnh vực genomics và không có khả năng thay thế các nền tảng giải trình tự truyền thống hơn, giống như các nền tảng được sản xuất bởi người dẫn đầu thị trường, Illumina. Những nền tảng giải trình tự DNA đó là cực kỳ chính xác, khiến chúng không thể thiếu để đọc toàn bộ bộ gen (một vài lần), đó là điều cần thiết để nói, xác định biến thể di truyền nào ở người dẫn đến bệnh.

Đó là loại công việc hiện không phải là thế mạnh của MinION. Nó có tỷ lệ lỗi khoảng 5 phần trăm, có nghĩa là cứ 20 nucleotide thì có một lỗi đọc. Điều đó đánh giá cao rằng sự khác biệt giữa hai cá nhân là 0,1 phần trăm (một biến thể cứ sau 1.000 nucleotide). Nhưng chỉ số đọc từ MinION vẫn đủ tốt để đưa vào thuật toán mà chúng tôi đã phát triển để phân tích hiện trường vụ án. Thuật toán này tính toán xác suất tóc hoặc một số vật liệu khác được tìm thấy tại hiện trường vụ án khớp với một cá nhân trong cơ sở dữ liệu cảnh sát đặc biệt.

Để hiểu lý do tại sao điều này hoạt động ngay cả với tỷ lệ lỗi cao, hãy tưởng tượng rằng tôi đặt cho bạn cái tên Voldamord, và yêu cầu bạn cho tôi biết cuốn sách nào tôi đang đề cập đến. Bạn có thể nhận ra đó là một cuốn sách Harry Potter vì bạn có một cơ sở dữ liệu trong đầu đã được hình thành thông qua việc đọc, mặc dù có những lỗi chính tả trong từ tôi đang đưa cho bạn. Bạn không cần phải đọc lại toàn bộ cuốn sách 300 trang hoặc nhận được Voldemort đã được trình bày chính xác. Genomics hoạt động theo cùng một nguyên tắc. Khi bạn có một cơ sở dữ liệu hữu ích, bạn chỉ cần một số đoạn DNA thông tin để xác định loài vi khuẩn nào có trong các mẫu dưa muối hoặc đôi khi ngay cả DNA của người đó đến từ đâu.

Bây giờ thời đại của trình tự DNA phổ biến đang tiến gần hơn, chúng ta cần cải thiện trình độ di truyền. Làm thế nào để chúng tôi xử lý dữ liệu genomic này dữ liệu lớn? Để giải quyết những câu hỏi như vậy, Yaniv Erlich và tôi đã bắt đầu một lớp học có tên là Ubiquitous Genomics trong khoa khoa học máy tính của Đại học Columbia vào năm 2015. Chúng tôi đã dạy sinh viên về công nghệ tiên tiến này và giúp họ trải nghiệm tiềm năng. Các sinh viên đã giải trình tự DNA bằng tay của chính họ và được khuyến khích phát triển các phương pháp tính toán để phân tích dữ liệu của họ. Thành công của nỗ lực này trong học tập tích hợp trên mạng đã khuyến khích chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể làm điều gì đó tương tự để thu hút học sinh vào bộ gen và phân tích dữ liệu. Chúng tôi thành lập PlayDNA với mục tiêu đó.

Cận cảnh micropipette được sử dụng với MinION. (Lịch sự của Oxford Nanopore)

Một ngày trước khi bắt đầu lớp thí điểm PlayDNA đầu tiên, tôi đã tách ra một vài thành phần từ bữa trưa của mình mà sau đó sẽ kết thúc trong một mẫu DNA bí ẩn mà các sinh viên phải xác định. PlayDNA cung cấp cơ sở hạ tầng cho các lớp học để không phải lo lắng về việc trích xuất DNA và chuẩn bị các thư viện DNA, vì vậy sinh viên có thể bắt đầu giải trình tự DNA ngay lập tức và giải thích dữ liệu của họ. Hai mươi học sinh 12 tuổi, chỉ có vài giờ đào tạo micropipette, đã giải trình tự DNA không hai giờ sau khi đến lớp học. Việc chuyển đổi thông tin sinh học theo thời gian thực thành dữ liệu lớn làm sinh động đối tượng; các sinh viên rất háo hức muốn biết loài nào có thể được phát hiện trong các chỉ số DNA mà họ đang nhìn thấy. Nhiệm vụ của họ cho tuần sau là phân tích dữ liệu và xác định thành phần cũng như tỷ lệ của bữa trưa của tôi. Chắc chắn rồi, tuần sau một nhóm hỏi: Bạn có ăn salad cà chua và thịt cừu cho bữa trưa không?

Công nghệ đã sẵn sàng cho quầy bếp của bạn chưa? Tôi sẽ giữ không gian trong một thời gian. Vẫn cần một số bí quyết để xử lý các bước trước khi giải trình tự, như phá vỡ các tế bào mở và tinh chế DNA. Tuy nhiên, Oxford Nanopore đang nghiên cứu các cách để tự động hóa các bước này. Cuối cùng, tôi có thể thấy trước một gia đình nơi những đứa trẻ đang sử dụng SmidgION để chơi một phiên bản Pokemon Go mới trong công viên với các loài thực sự, trong khi mẹ hỏi bố: Hồi Darling, bạn đã đặt bàn và bạn có trình tự lasagna không?

Sophie Zaaijer là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm bộ gen New York và Giám đốc điều hành của PlayDNA, đang phát triển các lớp dữ liệu gen cho các trường trung học cơ sở, trung học phổ thông và giáo dục đại học.