Gadgeten som gör DNA-sekvensering av barns lek

MinION-sprickorna öppnar bioteknik för massorna på samma sätt som datorn demokratiserade datorn. Vad ska vi göra med den här nyfundna makten?

MinION (med tillstånd av Oxford Nanopore)

Jag är en tisdag eftermiddag och Poppy, en 12-årig tjej i New York City, står framför sin klass och förklarar för sina kamrater hur livskoden kan läsas genom att passera en DNA-sträng genom något som kallas en nanopore . Som en del av PlayDNA, ett program som jag grundade, har studenterna plockat gurkor under den senaste veckan. De har uppmätt vätskans pH i syltburkarna och såg från den ökande molnigheten att antalet bakterieceller fördubblats. Och till skillnad från generationer av vetenskapsklasser före dem, har de tagit prover från burkarna för att identifiera bakteriesorten med deras DNA.

Det är nu dags att avslöja det osynliga livet i sina syltburkar. Eleverna samlas runt bordet och lägger tillsammans med sin lärare ett riktigt bakterie-DNA-prov i en liten DNA-sekvenserare, som helt enkelt ansluts till en dators USB-port. Minuter senare visas de första DNA-läsningarna i realtid på deras skärm.

Detta är möjligt på en mellanstadium på grund av miniatyr-DNA-sekvensen, kallad MinION, gjord av Oxford Nanopore Technologies. Jag har använt den här enheten i nästan två år på New York Genome Center, där jag undersöker hur jag kan använda den för återidentifiering av DNA-prover. Min rådgivare, Yaniv Erlich, och jag var de första som implementerade det i ett Columbia University-klassrum, och nu är det en del av vårt PlayDNA-program i lokala skolor. Jag är övertygad om att det representerar en milstolpe inom tekniken. Bärbar DNA-sekvensering ger vem som helst, inte bara forskare, möjlighet att se livet i en högre upplösning än den fanskaste kameran kan ge - och även efter att en varelse är borta. Vi kan bredda vår vision att se alla arter, inte bara de som är synliga för det blotta ögat.

MinION kostar 1 000 dollar och är storleken på en godisbar. Den ansluts till en bärbar dators USB-port. För att det ska läsa ett DNA-prov använder du en mikropipett för att släppa ett "DNA-bibliotek" (mer om det på en minut) genom en millimeterstor öppning på MinION. Inuti enheten finns nanoporer, kottar drygt en miljarddels meter bred, placerade i ett membran. En stadig jonström flyter genom dessa nanoporer. Eftersom varje nukleotid (A, T, C eller G) har en unik molekylär makeup, formas var och en lite annorlunda. Den unika formen som passerar genom poren avbryter jonströmmen på ett specifikt sätt. Precis som vi kan sluta oss till en form genom att analysera dess skugga på en vägg, kan vi dra slutsatsen till en nukleotids identitet från störningarna den orsakar jonströmmen. Så här konverterar enheten baser till bitar som strömmar till en dator.

En illustration av hur DNA och en ström flyter genom en nanopore. (Med tillstånd av Oxford Nanopore)

Vi har ännu inte kunnat dirigera mikropipettsaftjuice till MinION. Vissa avancerade steg krävs för att förbereda DNA-biblioteket som sekvenseras. Först måste du öppna cellerna i pickle juice och rena deras DNA. Cellerna är alla olika - man kan komma ihåg från biologiklassen att växtcellväggar ser till skillnad från bakteriecellväggar, som är till skillnad från membranen hos däggdjursceller - och varje celltyp kräver sin egen metod. Sedan måste det renade DNA: n beredas på sådant sätt att MinION faktiskt kan läsa det. Dessa steg för att skapa DNA-biblioteket kräver maskiner som ännu inte är användarvänliga för en icke-specialist, inklusive en mikrocentrifug och termocykler (på Democratizing DNA Fingerprinting kan du se mig utföra detta bibliotek prep och DNA-sekvensering på ett tak i New York City). Men i framtiden kommer dessa steg också att göras i en enda, bärbar miniatyrenhet.

Detta öppnar fältet. Människor kommer att kunna använda MinION i sina kök för att verifiera innehållet i sin färdiga lasagne (innehåller den verkligen nötkött eller är det hästkött?) Eller använda det för övervakning av patogener och allergener. Oxford Nanopore planerar till och med att gå ett steg längre med SmidgION: en DNA-sequenser som du kan ansluta till din telefon.

Men vi börjar fortfarande se vad folk kommer att göra med den här tekniken. Forskare har utnyttjat MinIONs portabilitet för att övervaka biologisk mångfald i avlägsna områden som Antarticas McMurdo Dry Valleys. NASA använder enheten för att övervaka astronauternas hälsostatus i rymden och kan så småningom använda den för att visualisera utomjordiskt liv. Myndigheterna i Kenya kanske snart kontrollerar om kött kommer från olaglig krypskydd.

I vårt labb vid New York Genome Center utvecklade vi en metod för att använda MinION på brottsplatser. Vi tänkte att en bärbar sequencer, som kan leverera resultat på några minuter, kan ge utredarna ett försprång på att identifiera offer eller misstänkta. Traditionella kriminaltekniska metoder kan ta dagar, ibland veckor. Det beror på att någon måste transportera proverna från brottsplatser till välutrustade laboratorier, där bevisen sitter i en kö innan de körs med dyra maskiner.

Nanopores sekvenseringssensorer är ett tillägg till genomikfältet och kommer sannolikt inte att ersätta de mer traditionella sekvenseringsplattformarna, som de som produceras av marknadsledaren Illumina. Dessa DNA-sekvenseringsplattformar är extremt exakta, vilket gör dem nödvändiga för att läsa ett helt genom (ett par gånger), vilket är vad som krävs för att säga bestämma vilka genetiska variationer hos människor som leder till sjukdomar.

Den typen av arbete är för närvarande inte styrken för MinION. Det har en felfrekvens på ungefär 5 procent, vilket innebär att det finns ett avläsningsfel varje 20 nukleotider. Det är högt med tanke på att skillnaden mellan två individer är 0,1 procent (en variation var 1 000 nukleotider). Men avläsningen från MinION är fortfarande tillräckligt bra för att mata in den algoritm som vi utvecklade för brottsplatsanalys. Denna algoritm beräknar sannolikheten för att hår eller annat material som finns på en brottsplats matchar en person i en speciell polisdatabas.

För att förstå varför detta fungerar även med den höga felfrekvensen, föreställ dig att jag ger dig namnet "Voldamord" och ber dig berätta vilken bok jag refererar till. Du kanske känner igen att det är en Harry Potter-bok eftersom du har en databas i huvudet som har bildats genom att läsa, även om det finns skrivfel i ordet jag ger dig. Du behöver inte läsa hela den 300-sidiga boken eller få "Voldemort" presenterad exakt rätt. Genomik fungerar enligt samma princip. När du väl har en användbar databas behöver du bara några informativa DNA-fragment för att identifiera vilka bakterier som finns i pickleproven eller ibland till och med vilken person DNA kommer från.

Nu när tiden för allestädes närvarande DNA-sekvensering närmar sig, måste vi förbättra genetisk läskunnighet. Hur hanterar vi denna genomiska "big data"? För att ta itu med sådana frågor startade Yaniv Erlich och jag en klass som heter Ubiquitous Genomics vid Columbia Universitys datavetenskapliga avdelning 2015. Vi lärde eleverna om den senaste tekniken och fick dem att uppleva potentialen. Studenterna sekvenserade DNA med sina egna händer och uppmanades att utveckla beräkningsmetoder för att analysera deras data. Framgången för detta arbete med ”integrerat lärande” uppmuntrade oss att tro att vi kunde göra något liknande för att engagera skolbarn i genomik och dataanalys. Vi grundade PlayDNA med det målet.

En närbild av mikropipetten som används med MinION. (Med tillstånd av Oxford Nanopore)

Dagen före starten av den första PlayDNA-pilotklassen satte jag ut ett par ingredienser från min lunch som senare skulle hamna i ett mysterium-DNA-prov som eleverna var tvungna att identifiera. PlayDNA tillhandahåller infrastrukturen för klassrum att inte behöva oroa sig för att extrahera DNA och förbereda DNA-biblioteken, så att elever kan börja sekvensera DNA direkt och tolka sina data. Tjugo 12-åriga studenter, som bara fick ett par timmars mikropipettträning, sekvensbestämde DNA inte två timmar efter att de kom till klassrummet. Realtidskonvertering av biologisk information till big data förnyar ämnet; eleverna var ivriga att veta vilka arter som kunde upptäckas i DNA-avläsningarna de såg. Deras uppdrag för följande vecka var att analysera data och identifiera ingredienserna och deras förhållanden till min lunch. Visst nog, följande vecka frågade en grupp: "Sophie, åt du en tomatsallad och lite fårkött till lunch?"

Är tekniken redo för din köksbänk? Jag skulle hålla på med att ge utrymme ett tag. Det tar fortfarande viss kunskap att hantera stegen före sekvensering, som att bryta cellerna öppna och rena DNA. Oxford Nanopore arbetar emellertid också med att automatisera dessa steg. Så småningom kan jag förutse en familj där barnen använder en SmidgION för att spela en ny version av Pokémon Go i parken med riktiga arter, medan mamma frågar pappa: "Darling, satte du bordet och gjorde du sekvensen på lasagnan?"

Sophie Zaaijer är postdoktor vid New York Genome Center och VD för PlayDNA, som utvecklar genomiska dataklasser för mellanskolor, gymnasier och universitetsutbildning.