Gadget yang Membuat DNA Sequencing Play Anak

Minion membobol biotek terbuka kepada massa seperti cara PC melakukan demokratisasi komputasi. Apa yang akan kita lakukan dengan kekuatan yang baru ditemukan ini?

The MinION (Sumber dari Oxford Nanopore)

Ini adalah hari Selasa sore dan Poppy, seorang gadis berusia 12 tahun di New York City, berdiri di depan kelasnya dan menjelaskan kepada teman-temannya bagaimana kode kehidupan dapat dibaca dengan melewati untai DNA melalui sesuatu yang disebut nanopore . Sebagai bagian dari PlayDNA, sebuah program yang saya dirikan bersama, para siswa telah mengasinan mentimun selama seminggu terakhir. Mereka telah mengukur pH cairan dalam toples acar dan melihat dari meningkatnya kekeruhan bahwa jumlah sel bakteri meningkat dua kali lipat. Dan tidak seperti generasi kelas sains sebelumnya, mereka mengambil sampel dari toples untuk mengidentifikasi spesies bakteri dengan DNA mereka.

Sekarang saatnya untuk mengungkapkan kehidupan tak kasat mata dalam toples acar mereka. Para siswa berkumpul di sekeliling meja dan, bersama dengan guru mereka, menempatkan sampel DNA bakteri nyata dalam sekuensing DNA kecil, yang cukup dihubungkan ke port USB komputer. Beberapa menit kemudian pembacaan DNA pertama muncul secara real time di layar mereka.

Ini dimungkinkan di sekolah menengah karena sequencer DNA miniatur, yang disebut MinION, dibuat oleh Oxford Nanopore Technologies. Saya telah menggunakan perangkat ini selama hampir dua tahun di New York Genome Center, tempat saya meneliti bagaimana menggunakannya untuk identifikasi ulang sampel DNA. Penasihat saya, Yaniv Erlich, dan saya adalah orang pertama yang mengimplementasikannya ke dalam kelas Universitas Columbia, dan sekarang ini merupakan bagian dari program PlayDNA kami di sekolah-sekolah lokal. Saya yakin itu mewakili tonggak sejarah dalam teknologi. Sekuensing DNA portabel memberdayakan siapa pun, bukan hanya ilmuwan, untuk melihat kehidupan pada resolusi yang lebih tinggi daripada yang dapat diberikan oleh kamera terunggul - dan bahkan setelah makhluk hilang. Kita dapat memperluas visi kita untuk melihat semua spesies, bukan hanya yang terlihat dengan mata telanjang.

Minion harganya $ 1.000 dan ukurannya sebesar candy bar. Terhubung ke port USB komputer laptop. Untuk membuatnya membaca sampel DNA, Anda menggunakan mikropipet untuk menjatuhkan "perpustakaan DNA" (lebih dari itu dalam satu menit) melalui lubang berukuran milimeter di MinION. Di dalam perangkat ada nanopores, kerucut lebih dari sepersejuta meter, ditempatkan di membran. Arus ion stabil mengalir melalui nanopori ini. Karena setiap nukleotida (A, T, C atau G) memiliki susunan molekul yang unik, masing-masing memiliki bentuk yang sedikit berbeda. Bentuk unik yang melewati pori mengganggu arus ion dengan cara tertentu. Sama seperti kita dapat menyimpulkan bentuk dengan menganalisis bayangannya di dinding, kita dapat menyimpulkan identitas nukleotida dari gangguan yang ditimbulkannya terhadap arus ion. Ini adalah bagaimana perangkat mengubah basis menjadi bit yang mengalir ke komputer.

Ilustrasi bagaimana DNA dan arus mengalir melalui nanopore. (Atas perkenan Nanopore Oxford)

Kami belum dapat langsung memasukkan jus acar mikropipet ke dalam MINION. Beberapa langkah lanjutan diperlukan untuk menyiapkan pustaka DNA yang diurutkan. Pertama, Anda harus membuka sel-sel dalam jus acar dan memurnikan DNA mereka. Sel-sel semuanya berbeda - Anda mungkin ingat dari kelas biologi bahwa dinding sel tanaman terlihat tidak seperti dinding sel bakteri, yang tidak seperti membran sel mamalia - dan masing-masing jenis sel membutuhkan metode sendiri. Kemudian, DNA yang dimurnikan perlu disiapkan sedemikian rupa sehingga MinION dapat membacanya. Langkah-langkah untuk membuat pustaka DNA ini membutuhkan mesin yang belum ramah pengguna untuk non-spesialis, termasuk micro-centrifuge dan thermo cycler (di Democratizing DNA Fingerprinting, Anda dapat melihat saya melakukan persiapan pustaka dan pengurutan DNA ini di atap di Kota New York). Tetapi di masa depan, langkah-langkah ini juga akan dilakukan dalam satu perangkat miniatur portabel.

Ini akan membuka bidang. Orang-orang akan dapat menggunakan MinION di dapur mereka untuk memverifikasi isi lasagna siap pakai mereka (apakah benar-benar mengandung daging sapi atau apakah itu daging kuda?) Atau menggunakannya untuk pengawasan patogen dan alergen. Oxford Nanopore bahkan berencana untuk melangkah lebih jauh dengan SmidgION: sequencer DNA yang dapat Anda pasang ke ponsel Anda.

Tapi kami masih baru mulai melihat apa yang akan dilakukan orang dengan teknologi ini. Para ilmuwan telah memanfaatkan portabilitas MinION untuk memantau keanekaragaman hayati di daerah-daerah terpencil seperti Antartica's McMurdo Dry Valleys. NASA menggunakan perangkat untuk memantau status kesehatan astronot di luar angkasa dan akhirnya bisa menggunakannya untuk memvisualisasikan kehidupan di luar bumi. Pihak berwenang di Kenya mungkin akan segera memeriksa langsung apakah daging berasal dari perburuan ilegal.

Di lab kami di New York Genome Center kami mengembangkan metode untuk menggunakan MinION di TKP. Kami memperkirakan bahwa sequencer portabel, yang dapat memberikan hasil dalam hitungan menit, dapat memberi para penyelidik langkah awal dalam mengidentifikasi korban atau tersangka. Metode forensik tradisional dapat memakan waktu berhari-hari, terkadang berminggu-minggu. Itu karena seseorang harus mengangkut sampel dari TKP ke laboratorium yang dilengkapi dengan baik, di mana bukti duduk dalam antrian sebelum dijalankan melalui mesin yang mahal.

Sensor sekuensing nanopore adalah tambahan untuk bidang genomik dan tidak mungkin untuk menggantikan platform sekuensing yang lebih tradisional, seperti yang diproduksi oleh pemimpin pasar, Illumina. Platform pengurutan DNA itu sangat akurat, membuatnya sangat diperlukan untuk membaca seluruh genom (beberapa kali), yang diperlukan untuk, katakanlah, menentukan variasi genetik mana pada orang yang mengarah pada penyakit.

Pekerjaan semacam itu saat ini bukan kekuatan dari MINION. Ini memiliki tingkat kesalahan sekitar 5 persen, yang berarti bahwa ada satu kesalahan pembacaan setiap 20 nukleotida. Itu tinggi mengingat bahwa perbedaan antara dua individu adalah 0,1 persen (satu variasi setiap 1.000 nukleotida). Tetapi pembacaan dari MinION masih cukup baik untuk dimasukkan ke dalam algoritma yang kami kembangkan untuk analisis TKP. Algoritma ini menghitung probabilitas bahwa rambut atau bahan lain yang ditemukan di TKP cocok dengan seseorang di basis data polisi khusus.

Untuk memahami mengapa ini bekerja bahkan dengan tingkat kesalahan yang tinggi, bayangkan saya memberi Anda nama "Voldamord" dan meminta Anda untuk memberi tahu saya buku apa yang saya maksud. Anda mungkin mengenali itu adalah buku Harry Potter karena Anda memiliki basis data di kepala Anda yang telah dibentuk melalui membaca, meskipun ada kesalahan ketik pada kata yang saya berikan kepada Anda. Anda tidak perlu membaca ulang seluruh buku sepanjang 300 halaman atau menampilkan "Voldemort" dengan tepat. Genomik bekerja berdasarkan prinsip yang sama. Setelah Anda memiliki basis data yang berguna, Anda hanya perlu beberapa fragmen DNA informatif untuk mengidentifikasi spesies bakteri mana yang ada dalam sampel acar atau kadang-kadang bahkan dari orang mana DNA itu berasal.

Sekarang era pengurutan DNA di mana-mana semakin dekat, kita perlu meningkatkan literasi genetik. Bagaimana kita menangani "data besar" genomik ini? Untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan seperti itu, Yaniv Erlich dan saya memulai kelas yang disebut Ubiquitous Genomics di departemen ilmu komputer Universitas Columbia pada tahun 2015. Kami mengajar siswa tentang teknologi canggih ini dan membuat mereka mengalami potensi. Para siswa mengurutkan DNA dengan tangan mereka sendiri, dan didorong untuk mengembangkan metode komputasi untuk menganalisis data mereka. Keberhasilan upaya ini dalam "pembelajaran integratif" mendorong kami untuk berpikir kami bisa melakukan sesuatu yang mirip dengan melibatkan anak sekolah dalam genomik dan analisis data. Kami mendirikan PlayDNA dengan tujuan itu.

Tampilan dekat mikropipet yang digunakan dengan MinION. (Atas perkenan Nanopore Oxford)

Sehari sebelum dimulainya kelas uji coba PlayDNA pertama, saya memisahkan beberapa bahan dari makan siang saya yang nantinya akan berakhir dalam sampel DNA misteri yang harus diidentifikasi oleh siswa. PlayDNA menyediakan infrastruktur untuk ruang kelas untuk tidak perlu khawatir tentang mengekstraksi DNA dan menyiapkan perpustakaan DNA, sehingga siswa dapat mulai mengurutkan DNA segera dan menafsirkan data mereka. Dua puluh siswa berusia 12 tahun, yang hanya mendapat beberapa jam pelatihan mikropipet, sedang mengurutkan DNA bukan dua jam setelah tiba di kelas. Konversi informasi biologis waktu-nyata menjadi data besar menghidupkan subjek; para siswa sangat ingin mengetahui spesies mana yang dapat dilihat dalam pembacaan DNA yang mereka lihat. Tugas mereka untuk minggu berikutnya adalah menganalisis data dan mengidentifikasi bahan-bahan dan rasio makan siang saya. Benar saja, minggu berikutnya satu kelompok bertanya: "Sophie, apakah Anda makan salad tomat dan daging domba untuk makan siang?"

Apakah teknologinya siap untuk penghitung dapur Anda? Saya akan menunda membuat ruang untuk sementara waktu. Masih dibutuhkan beberapa cara untuk menangani langkah-langkah sebelum diurutkan, seperti memecah sel-sel terbuka dan memurnikan DNA. Oxford Nanopore juga sedang berupaya mengotomatiskan langkah-langkah ini. Akhirnya, saya dapat meramalkan sebuah keluarga di mana anak-anak menggunakan SmidgION untuk memainkan versi baru Pokemon Go di taman dengan spesies nyata, sementara ibu bertanya kepada ayah: "Sayang, apakah Anda mengatur meja dan apakah Anda memesan lasagna?"

Sophie Zaaijer adalah rekan postdoctoral di New York Genome Center dan CEO PlayDNA, yang mengembangkan kelas data genom untuk sekolah menengah, sekolah menengah, dan pendidikan universitas.