使DNA测序儿童游戏的小工具

MinION以PC使计算民主化的方式向大众开放了生物技术。 我们将用这种新发现的力量做什么?

MinION(由牛津纳米孔提供)

这是星期二的下午,纽约市12岁的女孩Poppy站在班上,向同龄人解释如何通过将DNA链穿过称为纳米孔的东西来读取生活密码。 作为我与人共同创立的一个程序PlayDNA的一部分,学生在过去一周里一直在腌制黄瓜。 他们测量了腌制罐中液体的pH值,并从不断增加的浑浊中看到细菌细胞的数量增加了一倍。 与之前的几代科学课不同,他们从罐子中取样来通过其DNA识别细菌种类。

现在是时候揭示他们在泡菜罐子中的无形生命了。 学生们围着桌子围着桌子,与他们的老师一起,将真实的细菌DNA样品放入了一个微小的DNA测序仪中,该测序仪只需插入计算机的USB端口即可。 几分钟后,第一个DNA读数实时显示在其屏幕上。

这是由牛津纳米孔技术公司制造的微型DNA测序仪MinION所实现的,这在中学里是可能的。 我在纽约基因组中心使用该设备已经将近两年,在那里我研究了如何使用它来重新鉴定DNA样品。 我的顾问Yaniv Erlich和我是第一个将它应用于哥伦比亚大学教室的人,现在它已成为我们在当地学校中PlayDNA计划的一部分。 我坚信这代表了技术上的里程碑。 便携式DNA测序使任何人(不仅是科学家)都能以比最先进的相机所能提供的更高的分辨率看到生命,甚至在生物消失之后也是如此。 我们可以扩大视野,看到所有物种,而不仅仅是肉眼可见的物种。

MinION的价格为1,000美元,只有直板尺寸。 它连接到便携式计算机的USB端口。 要让它读取DNA样本,您可以使用微量移液器通过MinION上一毫米大小的开口放入“ DNA文库”(一分钟内可以了解更多信息)。 装置内部是纳米孔,锥孔刚好超过十亿分之一米宽,被放置在膜中。 稳定的离子电流流过这些纳米孔。 由于每个核苷酸(A,T,C或G)具有独特的分子组成,因此每个核苷酸的形状略有不同。 穿过孔的独特形状以特定方式中断了离子流。 正如我们可以通过分析形状在墙壁上的阴影来推断形状一样,我们也可以从它对离子流造成的干扰中推断出核苷酸的身份。 这是设备将基数转换为流到计算机的位的方式。

DNA和电流如何流过纳米孔的插图。 (由牛津纳米孔提供)

我们尚不能直接将微量的酱菜汁微量吸取到MinION中。 需要一些高级步骤来准备要测序的DNA文库。 首先,您必须打开泡菜汁中的细胞并纯化其DNA。 细胞全都不同-您可能从生物学课上回忆过,植物细胞壁看起来与细菌细胞壁不同,而细菌细胞壁与哺乳动物细胞的膜不同-每种细胞类型都需要使用自己的方法。 然后,需要以MinION可以实际读取的方式制备纯化的DNA。 创建DNA文库的这些步骤需要非专业人员尚未使用的机器,包括微型离心机和热循环仪(在“民主化DNA指纹识别”中,您可以看到我在图书馆的屋顶上进行了该文库制备和DNA测序)。纽约市)。 但是将来,这些步骤也将在单个便携式微型设备中完成。

这将打开领域。 人们将能够在厨房中使用MinION来验证其现成千层面的内容(它真的包含牛肉还是马肉吗?)或用于监测病原体和过敏原。 牛津纳米孔甚至计划进一步利用SmidgION:您可以插入手机的DNA测序仪。

但是我们仍然才刚刚开始看到人们将如何使用这项技术。 科学家已经利用MinION的便携性来监控诸如Antartica的McMurdo Dry Valleys等偏远地区的生物多样性。 NASA正在使用该设备监视宇航员在太空中的健康状况,并最终将其用于可视化外星生命。 肯尼亚当局可能很快会立即检查肉类是否来自非法偷猎。

在我们纽约基因组中心的实验室中,我们开发了一种在犯罪现场使用MinION的方法。 我们认为便携式测序仪可以在数分钟内提供结果,可以使研究人员在识别受害者或嫌疑人方面取得先机。 传统的取证方法可能需要数天,有时需要数周。 那是因为有人必须将样本从犯罪现场运到设备完善的实验室,在那里证据被排队,然后才通过昂贵的机器运行。

纳米孔测序传感器是基因组学领域的补充,不太可能取代市场领导者Illumina生产的传统测序平台。 这些DNA测序平台极其精确,使其成为读取整个基因组(几次)所不可或缺的,这对于确定人类中哪些遗传变异导致疾病是必需的。

这种工作目前不是MinION的优势。 它的错误率大约为5%,这意味着每20个核苷酸有一个读取错误。 考虑到两个人之间的差异为0.1%(每千个核苷酸一个变异),这一数字很高。 但是从MinION读取的数据仍然足够好,可用于我们为犯罪现场分析开发的算法。 该算法计算在犯罪现场发现的头发或某些其他材料与特殊警察数据库中的某人匹配的可能性。

要了解即使在错误率很高的情况下这也行得通,请想象一下我给您起了“ Voldamord”这个名字,然后问您要告诉我的是哪本书。 您可能会认识到这是一本哈利·波特的书,因为即使我给您的单词中有错别字,您的脑海中仍然有一个通过阅读形成的数据库。 您无需重新阅读整本300页的书,也不必完全正确地显示“ Voldemort”。 基因组学遵循相同的原理。 一旦有了有用的数据库,您只需要一些有用的DNA片段即可识别泡菜样品中存在的细菌种类,或者有时甚至是DNA的来源。

现在无处不在的DNA测序时代越来越近了,我们需要提高基因素养。 我们如何处理基因组“大数据”? 为了解决这些问题,Yaniv Erlich和我于2015年在哥伦比亚大学计算机科学系开设了一个名为Ubiquitous Genomics的课程。我们向学生介绍了这一前沿技术,并让他们体验了这一潜力。 学生们用自己的双手对DNA进行了测序,并鼓励他们开发计算方法来分析他们的数据。 在“整合学习”中这项努力的成功促使我们认为我们可以做一些类似的事情来使学童参与基因组学和数据分析。 我们以此为目标创立了PlayDNA。

微量移液器的特写镜头与MinION一起使用。 (由牛津纳米孔提供)

在第一批PlayDNA飞行员课程开始的前一天,我从午餐中分离出了两种食材,后来制成了学生必须识别的神秘DNA样本。 PlayDNA为教室提供了基础设施,而不必担心提取DNA和准备DNA库的麻烦,因此学生可以立即开始对DNA进行测序并解释其数据。 20名12岁的学生仅接受了几个小时的微量移液器培训,就在到达教室两小时后对DNA进行了测序。 将生物信息实时转换为大数据使该课题更加活跃。 学生们渴望知道他们所看到的DNA读数中可以发现哪些物种。 他们接下来一周的任务是分析数据,确定午餐的成分和比例。 果然,接下来的一周,一组人问:“索菲,你在午餐时吃了番茄沙拉和一些羊肉吗?”

技术已经准备好用于您的厨房柜台了吗? 我会暂缓腾出空间。 测序之前仍然需要一些专门知识来处理这些步骤,例如将细胞打开并纯化DNA。 但是,Oxford Nanopore也正在努力实现这些步骤的自动化。 最终,我可以预见一个家庭,那里的孩子们正在公园里用SmidgION玩新版本的Pokemon Go,里面有真实的物种,而妈妈问爸爸:“亲爱的,你摆好桌子了吗,你对烤宽面条进行排序了?”

Sophie Zaaijer是纽约基因组中心的博士后研究员,也是PlayDNA的首席执行官,该公司正在为中学,高中和大学教育开发基因组数据课程。