De Gadget deen DNA Sequencing Child's Play mécht

De MinION kraazt Biotech op fir d'Massen de Wee wéi de PC demaskéierte Berechnung. Wat wäerte mir mat dëser neigewierter Kraaft maachen?

De Minion (Ugedriwwe vun Oxford Nanopore)

Ech t ass en Dënschdeg Nomëtteg an de Poppy, en 12 Joer aalt Meedchen zu New York City, steet virun hirer Klass an erkläert hir Kollegen wéi de Code vum Liewen kann gelies ginn andeems en DNA Strang duerch eppes nanopore genannt gëtt An. Am Kader vum PlayDNA, e Programm, deen ech zesumme gegrënnt hunn, hunn d'Schüler fir d'lescht Woch Gurken pickelen. Si hunn de pH vun der Flëssegkeet an de Pickle Jar gemooss an aus der ëmmer méi Wollekung gesinn datt d'Zuel vun de Bakterienzellen verduebelt gouf. An net anescht wéi Generatiounen vu Wëssenschaftsklassen virun hinnen, hu se Proben aus den Jar geholl fir d'Bakteriesaarten duerch hir DNA z'identifizéieren.

Et ass elo Zäit dat onsichtbart Liewen an hire Pickelbiller ze weisen. D’Schüler sammelen sech ronderëm den Dësch an hunn zesumme mat hirem Léierpersonal eng richteg bakteriell DNA Probe an engem klenge DNA Sequenzer gesat, deen einfach an e USB USB Hafen pluggt. Minutte méi spéit erschéngen déi éischt DNA Liesungen an Echtzäit op hirem Écran.

Dëst ass méiglech an enger Mëttelschoul wéinst der Miniatur DNA Sequenzer, genannt de MinION, gemaach vun Oxford Nanopore Technologies. Ech hunn dësen Apparat scho bal zwee Joer am New York Genome Center benotzt, wou ech fuerschung wéi ech en fir nei Identifikatioun vun DNA Proben benotze kënnen. Mäi Beroder, den Yaniv Erlich, an ech waren déi éischt, déi et an engem Columbia University Klassesall ëmgesat hunn, an elo ass et Deel vun eisem PlayDNA Programm an de lokale Schoulen. Ech sinn iwwerzeegt datt et e Meilesteen an der Technologie duerstellt. Portable DNA Sequencing erlaabt jiddereen, net nëmmen Wëssenschaftler, d'Liewe mat enger méi héijer Opléisung ze gesinn wéi déi fanciest Kamera kann ubidden - an och nodeems eng Kreatur fort ass. Mir kënnen eis Visioun erweidert fir all Spezies ze gesinn, net nëmmen déi mat bloussem A ze gesinn.

De MinION kascht $ 1.000 an ass d'Gréisst vun engem Zockerbuttek. Et verbënnt mat engem USB Computer vum Laptop Computer. Fir en en DNA Probe ze liesen, benotzt Dir eng Mikropipette fir eng "DNA Bibliothéik" erofzehuelen (méi doriwwer an enger Minutt) duerch eng Millimetergréisst Ouverture op der MinION. Bannen am Apparat si Nanopore, Kegele just iwwer e Milliardd Meter Meter breet, an enger Membran geluecht. E konstante Ionstroum fléisst duerch dës Nanopore. Zënter all Nukleotid (A, T, C oder G) huet een eenzegaartege molekulare Make-up, all eenzel ass e bëssen anescht geformt. Déi eenzegaarteg Form, déi duerch d'Pore passéiert, ënnerbrach den Ionstroum op eng spezifesch Manéier. Just wéi mir eng Form ofleede kënnen andeems se säi Schied un enger Mauer analyséiert, kënne mir d'Identitéit vun engem Nukleotid ofginn aus de Stéierungen, déi et den Ionstroum mécht. Dëst ass wéi den Apparat Basse konvertéiert zu Stécker, déi an engem Computer streamen.

Eng Illustratioun vu wéi DNA an engem Stroum duerch eng Nanopore fléien. (Ugedriwwe vun Oxford Nanopore)

Mir sinn nach net fäeg et direkt micropipette Pickle Jus an de MinION direkt ze maachen. E puer fortgeschratt Schrëtt sinn erfuerderlech fir d'DNA Bibliothéik ze preparéieren déi sequenzéiert ass. Als éischt musst Dir d'Zellen am Pickeljus opmaachen an hir DNA purifizéieren. Zellen sinn all ënnerschiddlech - Dir kéint aus der Biologie Klass erënneren datt Planz Zellmauer anescht wéi bakteriell Zellmaueren ausgesinn, déi am Géigesaz zu de Membranen vun der Mamendéierenzell sinn - an all Zellentyp huet seng eege Method erfuerdert. Duerno muss d'purifizéiert DNA op esou Manéier virbereet ginn datt de MinION et tatsächlech kann liesen. Dës Schrëtt fir d'DNA Bibliothéik ze kreéieren verlaangen Maschinnen, déi nach net benotzerfrëndlech sinn fir en Net-Spezialist, dorënner e Mikro-Zentrifuge an Thermo Cycler (bei Demokratiséiere vun DNA Fangerofdrock kënnt Dir mir gesinn dës Bibliothéik ze maachen prep an DNA Sequencing op engem Daach an New York City). Awer an der Zukunft ginn dës Schrëtt och an engem eenzegen, portable Miniaturapparat gemaach.

Dëst wäert d'Feld opzemaachen. D'Leit fäeg de MinION an hire Kichen ze benotzen fir d'Inhalter vun hirer fäerdeger Lasagne z'iwwerpréiwen (enthält et wierklech Rëndfleesch oder ass dat Päerdsfleesch?) Oder benotzt et fir Iwwerwaachung vu Pathogenen an Allergènen. Den Oxford Nanopore plangt esouguer e Schrëtt weider mat der SmidgION: en DNA Sequenzer, deen Dir an Ären Telefon kënnt Plug.

Awer mir fänken nach ëmmer just un ze gesinn wat d'Leit mat dëser Technologie maachen. D'Wëssenschaftler hunn d'Vertabilitéit vum MinION genotzt fir d'Biodiversitéit an fernen Beräicher wéi Antartica's McMurdo Dry Valleys ze iwwerwaachen. D'NASA benotzt den Apparat fir den Gesondheetszoustand vun Astronauten am Raum ze iwwerwaachen a konnt et eventuell benotze fir dat extraterrestrescht Liewen ze visualiséieren. Autoritéiten a Kenia kéinte séier direkt iwwerpréiwen ob Fleesch aus illegalem Eschekachen kënnt.

An eisem Labo am New York Genome Center hu mir eng Method entwéckelt fir den MinION an der Kriminalitéit Szenen ze benotzen. Mir hu gemierkt datt e portable Sequenzer, deen d'Resultater an e puer Minutten liwwere kann, d'Enquêteuren e Start konnt ginn fir Affer oder Verdächteg z'identifizéieren. Traditionell forensesch Methoden kënnen Deeg daueren, heiansdo Wochen. Dat ass well een de Proben aus Kriminalitéitszénger an gutt ausgestattte Laboratoiren muss transportéieren, wou de Beweis an engem Schlaang sëtzt ier en ob deier Maschinne leeft.

Nanopore Sequencing Sensoren sinn en Zousatz zum Genomicsfeld a sinn onwahrscheinlech déi méi traditionell Sequencingplattformen ze ersetzen, sou wéi déi vum Maart Leader, Illumina. Dës DNA Sequencingplattforme sinn extrem genau, déi se onverzichtbar maache fir e gesamt Genom ze liesen (e puer Mol), an dat ass wat néideg ass, ze soen, bestëmmen déi genetesch Variatiounen bei Leit zu Krankheeten.

Déi Zort vu Aarbecht ass am Moment net d'Stäerkt vum MinION. Et huet e Feelerrate vu ongeféier 5 Prozent, dat heescht datt et all Liesfeeler all 20 Nukleotiden gëtt. Dat ass héich wann ee bedenkt datt den Ënnerscheed tëscht zwee Individuen 0,1 Prozent ass (eng Variatioun all 1.000 Nukleotiden). Awer d'Verliesung aus dem MinION ass ëmmer nach gutt genuch fir an den Algorithmus ze füteren, dee mir fir d'Kriminalitéit-Szenanalyse entwéckelt hunn. Dësen Algorithmus berechent d'Wahrscheinlechkeet datt Hoer oder e puer aner Material, déi an enger Verbriecherplaz fonnt goufen, passt mat engem Individuum an enger spezieller Police-Datebank.

Fir ze verstoe firwat dëst och mat dem héije Fehlerquot funktionnéiert, stellt Iech vir datt ech Iech den Numm "Voldamord" ginn a froen Iech, wat fir e Buch ech soen. Dir kéint erkennen datt et en Harry Potter Buch ass well Dir eng Datebank an Ärem Kapp huet, dat duerch Liesen geformt gouf, och wann et Tippfeeler am Wuert hunn deen ech Iech ginn. Dir musst net dat ganzt 300 Säit Buch nei liesen oder "Voldemort" genau presentéiert ginn. Genomik funktionnéiert mam selwechte Prinzip. Wann Dir eng nëtzlech Datebank hutt, braucht Dir nëmmen e puer informativ DNA Fragmenter fir ze identifizéieren aus wéi eng Bakterienaarten an de Pickle Proben präsent sinn oder heiansdo souguer aus wéi eng Persoun d'DNA koum.

Elo datt d'Ära vun onbezuelten DNA Sequenzen ëmmer méi no gëtt, musse mir d'genetesch Alphabetiséierung verbesseren. Wéi behandelen mir dës genomesch "Big Data"? Fir sou Froen ze beäntweren, hunn de Yaniv Erlich an ech eng Klass genannt Ubiquitous Genomics am Columbia University Computer Science Department am Joer 2015. Mir hunn d'Studente iwwer dës technologesch Technologie geléiert an hunn se d'Potenzial erlieft. D'Studente sequenzen DNA mat hiren eegenen Hänn, a goufen encouragéiert computational Methoden z'entwéckelen fir hir Daten ze analyséieren. Den Erfolleg vun dësem Effort am "integrativen Léieren" huet eis encouragéiert ze denken, mir kéinten eppes ähnleches maachen fir d'Schoulkanner an der Genomik an der Datenanalyse ze engagéieren. Mir hunn PlayDNA mat deem Zil gegrënnt.

Eng Closeup vun der Mikropipette benotzt mam MinION. (Ugedriwwe vun Oxford Nanopore)

Den Dag virum Ufank vun der éischter PlayDNA Piloteklass hunn ech e puer Zutaten aus mengem Mëttegiessen ofgesot, déi spéider an engem Geheimnis DNA Probe géifen ophalen, déi d'Schüler musse identifizéieren. PlayDNA bitt d'Infrastruktur fir Klassesäll fir net Gedanken ze maachen iwwer DNA ze extrahieren an d'DNA Bibliothéike virzebereeden, sou datt Studenten direkt DNA sequencing kënnen an hir Donnéeën interpretéieren. Zwanzeg 12-Joer al Studenten, déi nëmmen e puer Stonnen Micropipette-Training kruten, hunn DNA net zwou Stonnen nom Ukommen an de Klassesall opgefouert. D'realzäit Konversioun vun biologescher Informatioun a Big Data erliewt d'Thema; D'Schüler ware fréi ze wëssen wéi eng Spezies an den DNA readouts kënne gesinn wou se gesinn hunn. Hir Aufgab fir déi folgend Woch war d'Daten ze analyséieren an d'Ingredienten an hir Verhältnisser vu mengem Mëttegiessen z'identifizéieren. Sécher, dës Woch huet eng Grupp gefrot: "Sophie, hutt Dir eng Tomatensalat an e puer Schof Fleesch iesse fir iesse?"

Ass d'Technologie prett fir Äre Kichen Konter? Ech géif halen op eng Plaz ze maachen fir eng Zäit. Et hëlt ëmmer nach e puer Know-How fir d'Schrëtt ze maachen ier d'Seksequenz ass, wéi d'Zellen opbriechen an d'DNA ze purifizéieren. Oxford Nanopore schafft awer un Weeër fir dës Schrëtt och ze automatiséieren. Schlussendlech kann ech eng Famill virausgesinn wou d'Kanner e SmidgION benotze fir eng nei Versioun vu Pokemon Go am Park mat echte Arten ze spillen, wärend d'Mamm de Papp freet: "Darling, hutt Dir den Dësch gesat an hutt Dir d'Lasagna gezunn?"

D'Sophie Zaaijer ass eng Postdoktoresch Matbiergerin am New York Genome Center a CEO vun der PlayDNA, déi genomesch-Datenklassen fir Mëttelschoulen, Lycéeën an Uni-Ausbildung entwéckelt.