הגאדג'ט שעושה משחק ברצף של די.אן.איי

הסדקים ב- MinION פותחים ביוטכנולוגיה להמונים באופן בו דמוקרטיזציה של המחשוב. מה נעשה עם הכוח החדש הזה?

המיניון (באדיבות אוקספורד ננופור)

אני יום שלישי אחר הצהריים ופופי, ילדה בת 12 בעיר ניו יורק, עומדת מול הכיתה שלה ומסבירה לחבריה כיצד ניתן לקרוא את קוד החיים על ידי העברת גדיל DNA דרך משהו שנקרא ננו-פור. . במסגרת PlayDNA, תוכנית שהקמתי יחד, התלמידים מלקטפים מלפפונים בשבוע האחרון. הם מדדו את רמת החומציות של הנוזל בצנצנות החמוצים וראו מהעננות הגוברת שמספר התאים החיידקיים הוכפל. ובניגוד לדורות של שיעורי מדע לפניהם, הם לקחו דגימות מהצנצנות כדי לזהות את המינים החיידקיים על פי ה- DNA שלהם.

הגיע הזמן לחשוף את החיים הבלתי נראים בצנצנות החמוצים שלהם. התלמידים מתכנסים סביב השולחן ויחד עם מורתם הכניסו דגימת DNA אמיתית לחיידק ברצף DNA זעיר, שפשוט מתחבר ליציאת USB של מחשב. דקות לאחר מכן מופיעים קריאות ה- DNA הראשונות בזמן אמת על המסך.

זה אפשרי בבית ספר חטיבי בגלל רצף ה- DNA הזעיר, שנקרא MinION, מתוצרת אוקספורד ננופור טכנולוגיות. אני משתמש במכשיר זה כמעט שנתיים במרכז הגנום של ניו יורק, שם אני חוקר כיצד להשתמש בו לצורך זיהוי מחדש של דגימות DNA. היועץ שלי, יניב ארליך, ואני היינו הראשונים ליישם אותו בכיתה באוניברסיטת קולומביה, ועכשיו זה חלק מתוכנית PlayDNA שלנו בבתי ספר מקומיים. אני משוכנע שזה מייצג אבן דרך בטכנולוגיה. רצף DNA נייד מאפשר למישהו, ולא רק מדענים, לראות את החיים ברזולוציה גבוהה יותר ממה שהמצלמה הכי מפוארת יכולה לספק - ואפילו אחרי שיצור נעלם. אנו יכולים להרחיב את החזון שלנו לראות את כל המינים, לא רק את אלה הנראים לעין בלתי מזוינת.

ה- MinION עולה 1,000 דולר והוא בגודל של בר ממתקים. זה מתחבר ליציאת USB של מחשב נייד. כדי לקרוא את דגימת ה- DNA, אתה משתמש במיקרופיפטה כדי להפיל "ספריית DNA" (עוד על זה בעוד דקה) דרך פתח בגודל מילימטר ב- MinION. בתוך המכשיר נמצאים ננו-פוריות, חרוטים מעט יותר ממיליארד מטר, הממוקמים בקרום. זרם יונים קבוע זורם דרך ננו-פוריות אלה. מכיוון שלכל נוקליאוטיד (A, T, C או G) יש איפור מולקולרי ייחודי, כל אחד מהם מעוצב בצורה קצת אחרת. הצורה הייחודית העוברת בנקבובית קוטעת את זרם היון בצורה ספציפית. בדיוק כפי שאנו יכולים להסיק צורה על ידי ניתוח הצל שלה על קיר, כך אנו יכולים להסיק את זהותו של נוקלאוטיד מההפרעות שהוא גורם לזרם היונים. כך ממיר המכשיר בסיסים לקטעים הזורמים למחשב.

המחשה לאופן בו ה- DNA והזרם זורמים בננו-פור. (באדיבות אוקספורד ננופור)

עדיין איננו מסוגלים לכוון מיץ חמוצים מיקרופיפט ל- MinION. כמה צעדים מתקדמים נדרשים להכנת ספריית ה- DNA המורצבת. ראשית צריך לפצח את התאים במיץ החמוצים ולטהר את ה- DNA שלהם. התאים כולם שונים - ניתן לזכור משיעור הביולוגיה כי קירות התא הצמחיים נראים שלא כמו דפנות תאים חיידקיים, אשר אינם דומים לקרומים של תאי יונקים - וכל סוג תא דורש שיטה משלו. לאחר מכן, יש להכין את ה- DNA המטוהר באופן בו ה- MinION יכול לקרוא אותו בפועל. שלבים אלה ליצירת ספריית ה- DNA דורשים מכונות שאינן ידידותיות למשתמש עבור מי שאינו מומחה, כולל מחזור מיקרו צנטריפוגות ותרמוסים (בדמוקרטיזציה של טביעות אצבע של DNA אתה יכול לראות אותי מבצע הכנה לספריה זו ורצף DNA על גג ב העיר ניו יורק). אך בעתיד, השלבים הללו ייעשו גם במכשיר מיניאטורי יחיד ונייד.

זה יפתח את התחום. אנשים יוכלו להשתמש ב- MinION במטבחים שלהם כדי לאמת את תכולת הלזניה המוכנה שלהם (האם זה באמת מכיל בשר בקר או שזה בשר סוס?) או להשתמש בו למעקב אחר פתוגנים ואלרגנים. אוקספורד ננופור אפילו מתכננת ללכת צעד אחד קדימה עם ה- SmidgION: רצף DNA שתוכל לחבר לטלפון שלך.

אבל אנחנו עדיין רק מתחילים לראות מה אנשים יעשו עם הטכנולוגיה הזו. מדענים ניצלו את הניידות של ה- MinION כדי לפקח על המגוון הביולוגי באזורים מרוחקים כמו מקאלדו העמקים היבשים של אנטרטיקה. נאס"א משתמשת במכשיר כדי לפקח על מצבו הבריאותי של האסטרונאוטים בחלל ויכולה בסופו של דבר להשתמש בו כדי לדמיין את החיים מחוץ לכדור הארץ. הרשויות בקניה עשויות בקרוב לבדוק באופן מיידי אם בשר נובע משוטט לא חוקי.

במעבדה שלנו במרכז הגנום של ניו יורק פיתחנו שיטה לשימוש ב- MinION בזירות פשע. שיערנו שרצף נייד, שיכול להביא תוצאות תוך דקות, יכול לתת לחוקרים התחלה ראשונה בזיהוי קורבנות או חשודים. שיטות משפטיות מסורתיות יכולות לקחת ימים, לפעמים שבועות. הסיבה לכך היא שמישהו צריך להעביר את הדגימות מסצינות פשע למעבדות מצוידות היטב, שם הראיות יושבות בתור לפני שמופעלות על אף מכונות יקרות.

חיישני רצף של ננופור הם תוספת לתחום הגנומיקה ולא סביר שהם יחליפו את פלטפורמות הרצף המסורתיות יותר, כמו אלו המיוצרות על ידי מוביל השוק, אילומינה. פלטפורמות רצף ה- DNA הללו מדויקות ביותר, מה שהופך אותם הכרחיים לקריאה של גנום שלם (כמה פעמים), וזה מה שצריך, למשל, לקבוע אילו וריאציות גנטיות אצל אנשים מובילות למחלות.

סוג כזה של עבודה אינו כרגע כוחו של ה- MinION. יש לו שיעור שגיאה של בערך 5 אחוזים, מה שאומר שיש שגיאת קריאה אחת בכל 20 נוקלאוטידים. זה גבוה בהתחשב בכך שההבדל בין שני אנשים הוא 0.1 אחוז (וריאציה אחת לכל 1,000 נוקלאוטידים). אך הסקירה של ה- MinION עדיין טובה דיה בכדי להזין את האלגוריתם שפיתחנו לצורך ניתוח זירת הפשע. אלגוריתם זה מחשב את ההסתברות ששיער או חומר אחר שנמצא בזירת פשע תואם לאדם במאגר מידע מיוחד של המשטרה.

כדי להבין מדוע זה עובד אפילו עם שיעור השגיאות הגבוה, דמיין שאני נותן לך את השם "וולדמורד" ומבקש שתגיד לי לאיזה ספר אני מתכוון. יתכן שתזהה שזה ספר של הארי פוטר כי בראשך קיים בסיס נתונים שנוצר באמצעות קריאה, למרות שיש מילים שגיאות הקלדה במילה שאני נותן לך. אינך צריך לקרוא מחדש את כל הספר בן 300 העמודים או להציג את "וולדמורט" בדיוק כמו שצריך. הגנומיקה פועלת לפי אותו עיקרון. ברגע שיש לך מסד נתונים שימושי, אתה זקוק רק לכמה שברי DNA אינפורמטיביים כדי לזהות אילו מינים חיידקיים נמצאים בדגימות החמוצים או לפעמים אפילו מאיזה אדם הגיע ה- DNA.

כעת, כאשר עידן רצף ה- DNA הנמצא בכל מקום מתקרב, עלינו לשפר את האוריינות הגנטית. כיצד אנו מטפלים ב"נתונים גדולים "גנומיים זה? כדי לענות על שאלות כאלה, יניב ארליך ואני התחלנו שיעור בשם Ubiquitous Genomics במחלקה למדעי המחשב באוניברסיטת קולומביה בשנת 2015. לימדנו את הסטודנטים על הטכנולוגיה החדישה הזו וקיבלנו אותם לחוות את הפוטנציאל. התלמידים רצפו את ה- DNA במו ידיהם, ועודדו לפתח שיטות חישוביות לניתוח הנתונים שלהם. ההצלחה של מאמץ זה ב"לימוד אינטגרטיבי "עודדה אותנו לחשוב שאנחנו יכולים לעשות משהו דומה כדי לעסוק את תלמידי בתי הספר בגנומיקה וניתוח נתונים. הקמנו את PlayDNA במטרה זו.

צילום מקרוב של המיקרופיפט המשמש יחד עם MinION. (באדיבות אוקספורד ננופור)

יום לפני תחילת השיעור הראשון של הפיילוט של ה- PlayDNA, הנחתי כמה מרכיבים מארוחת הצהריים שלי, שבסופו של דבר יסתיימו במדגם DNA מסתורי שהתלמידים היו צריכים לזהות. PlayDNA מספק את התשתית לכיתות שלא יצטרך לדאוג לחילוץ DNA ולהכנת ספריות ה- DNA, כך שתלמידים יוכלו להתחיל לרצף DNA מייד ולפרש את הנתונים שלהם. עשרים סטודנטים בני 12, שהגיעו רק לשעתיים של אימונים במיקרופיפט, רצפו DNA לאחר שעתיים לאחר שהגיעו לכיתה. המרה בזמן אמת של מידע ביולוגי לנתונים גדולים מחיה את הנושא; התלמידים היו להוטים לדעת אילו מינים ניתן לאתר בתצוגות ה- DNA שהם רואים. המשימה שלהם לשבוע שלאחר מכן הייתה לנתח את הנתונים ולזהות את המרכיבים ואת יחסיהם בארוחת הצהריים שלי. בטח, בשבוע שלאחר מכן קבוצה אחת שאלה: "סופי, אכלת סלט עגבניות וקצת בשר כבשים לארוחת הצהריים?"

האם הטכנולוגיה מוכנה לדלפק המטבח שלכם? הייתי ממשיך לפנות מקום לזמן מה. עדיין נדרש ידע כדי להתמודד עם הצעדים שקדמו לרצף, כמו לשבור את התאים לפתוח ולטהר את ה- DNA. עם זאת, אוקספורד ננופור עובדת על דרכים לאוטומציה של צעדים אלה. בסופו של דבר אני יכול לחזות משפחה בה הילדים משתמשים ב- SmidgION כדי לשחק גרסה חדשה של פוקימון גו בפארק עם מינים אמיתיים, ואילו אמא שואלת את אבא: "יקירתי, האם שמת את השולחן והאם רצפת את הלזניה?"

סופי זייג'ר היא עמיתה בפוסט-דוקטורט במרכז הגנום של ניו יורק ומנכ"לית PlayDNA, העוסקת בפיתוח שיעורי נתונים גנומיים לבתי ספר חטיבים, בתי ספר תיכוניים וחינוך אוניברסיטאי.