გაჯეტი, რომელიც დნმ-ს თანმიმდევრობით ქმნის ბავშვის თამაშს

MINION ბზარებს ფართო ბიოტექნს მასებისაკენ, PC- ს დემოკრატიზებული გამოთვლებით. რას ვიზამთ ამ ახლის ძალით?

MinION (თავაზიანობა ოქსფორდის ნანოპორი)

მე სამშაბათს შუადღეა და პაპი, 12 წლის გოგონა ნიუ – იორკში, დგას თავისი კლასის წინ და თანატოლებს უხსნის, თუ როგორ შეიძლება ცხოვრების კოდის წაკითხვა დნმ-ის სტრიქონის გავლით, რაღაცის საშუალებით, რომელსაც ეწოდება ნანოპორი . როგორც PlayDNA- ს, პროგრამის, რომელიც მე დავამყარე, როგორც ნაწილი, სტუდენტებმა ბოლო ერთი კვირის განმავლობაში კრეფა კიტრი. მათ გაზომეს თხევადი pH- ის მწარე ქილაში და მზარდი სიბრმავე დაინახეს, რომ ბაქტერიული უჯრედების რაოდენობა გაორმაგდა. და მათ წინ მეცნიერების კლასების თაობებისაგან განსხვავებით, მათ ქინძებიდან აიღეს ნიმუშები, რომ დნმ – ს საშუალებით დაედგინათ ბაქტერიული სახეობები.

ახლა დროა გამოვავლინოთ უჩინარი ცხოვრება მათი მწნილის ქილაში. მოსწავლეები იკრიბებიან მაგიდის გარშემო და მასწავლებელთან ერთად დნმ-ის ნამდვილი ბაქტერიული ნიმუშის ჩასმა დნმ-ის მცირე მიმდევრობაში შედიან, რომელიც უბრალოდ კომპიუტერის USB პორტში შედის. რამდენიმე თვის შემდეგ, რაც დნმ-ის პირველი წაკითხული მკითხველს ეკრანზე რეალურ დროში აჩვენებს.

ეს შესაძლებელია საშუალო სკოლაში, რადგან დნმ-ის მინიატურული მიმდევრობის, სახელწოდებით MinION, დამზადებულია ოქსფორდის ნანოპორ ტექნოლოგიების მიერ. ამ მოწყობილობას თითქმის ორი წლის განმავლობაში ვხმარობდი ნიუ-იორკის გენომის ცენტრში, სადაც ვაკვირდები, როგორ გამოვიყენო ის დნმ-ს ნიმუშების ხელახლა იდენტიფიკაციისთვის. ჩემი მრჩეველი, იანივ ერლიჩი და მე ვიყავით პირველი, ვინც ეს კოლუმბიის უნივერსიტეტის კლასში ჩავატარეთ და ახლა ეს ჩვენი PlayDNA პროგრამის ნაწილია ადგილობრივ სკოლებში. დარწმუნებული ვარ, რომ ის წარმოადგენს მნიშვნელოვან წერტილს ტექნოლოგიაში. პორტატული დნმ-ის თანმიმდევრობა საშუალებას აძლევს ვინმეს, არამარტო მეცნიერებს, ნახონ ცხოვრება უფრო მაღალი გარჩევადობით, ვიდრე ყველაზე უკეთეს კამერას შეუძლია - და თუნდაც არსების წასვლის შემდეგაც. ჩვენ შეგვიძლია გავაფართოვოთ ჩვენი ხედვა, რომ ნახოთ ყველა სახეობა და არა მხოლოდ ის, რაც შეუიარაღებელი თვალით ჩანს.

MinION ღირს $ 1000 და არის candy ბარის ზომა. იგი უკავშირდება ლეპტოპის კომპიუტერის USB პორტს. დნმ – ის ნიმუშის წასაკითხად, თქვენ იყენებთ მიკროპლასტს, რომ ჩამოაგდოთ „დნმ ბიბლიოთეკა“ (უფრო მეტიც, წუთში) Minion- ის ზომის მილიმეტრიანი გახსნით. მოწყობილობის შიგნით არის ნანოპორები, კონუსები, რომლებიც მილიარდ მეტრზე მეტია, მემბრანაშია მოთავსებული. მდგრადი იონური დინება მიედინება ამ ნანოპორებში. ვინაიდან თითოეულ ნუკლეოტიდს (A, T, C ან G) აქვს უნიკალური მოლეკულური მაკიაჟი, თითოეული მათგანი ცოტათი განსხვავებულადაა ფორმირებული. პორნოზე გადის უნიკალური ფორმა ion სპეციფიკურ რეჟიმში ერევა. ისევე, როგორც ჩვენ შეგვიძლია დავასკვნათ ფორმა, მისი კედლის ჩრდილში ანალიზით, ჩვენ შეგვიძლია დავასაბუთოთ ნუკლეოტიდის პირადობის იდენტურობა. ეს არის ის, თუ როგორ ხდება მოწყობილობის გადაქცევა ელემენტები კომპიუტერში გადაყვანილი ბიტებისგან.

ილუსტრაცია იმის შესახებ, თუ როგორ ხდება დნმ და მიმდინარე დინება ნანოპორში. (თავაზიანობა ოქსფორდის ნანორეა)

ჩვენ ჯერ არ შეგვიძლია უშუალოდ მიკროპლატის მწნილის წვენი Minion– ში. რამდენიმე მოწინავე ნაბიჯი საჭიროა დნმ-ის ბიბლიოთეკის მოსამზადებლად, რომელიც თანმიმდევრობით ხდება. პირველი თქვენ უნდა დაარღვიოთ უჯრედები მწნილის წვენში და გაასუფთავეთ მათი დნმ. უჯრედები ყველა განსხვავებულია - ბიოლოგიის კლასიდან შეიძლება გაიხსენოთ, რომ მცენარეთა უჯრედების კედლები ბაქტერიული უჯრედების კედლებისგან განსხვავებით, რომლებიც ძუძუმწოვრების უჯრედების მემბრანებისგან განსხვავებით არიან - და თითოეული უჯრედის ტიპს საკუთარი მეთოდი სჭირდება. ამის შემდეგ, გაწმენდილი დნმ-ის მომზადება საჭიროა ისე, რომ Minion შეძლოს მისი წაკითხვა. დნმ-ის ბიბლიოთეკის შესაქმნელად ეს ნაბიჯები მოითხოვს მანქანებს, რომლებიც ჯერ კიდევ არ არის მოსახერხებელი სპეციალისტებისთვის, მათ შორის მიკროცენტრიფუგა და თერმოციკლეერი (დნმ – ის თითის ანაბეჭდის დროს შეგიძლიათ ნახოთ, რომ ამ ბიბლიოთეკის მოსამზადებელი და დნმ-ის თანმიმდევრობა ხდებოდა სახურავზე ნიუ იორკის ქალაქი). მაგრამ მომავალში, ეს ნაბიჯები ასევე გაკეთდება ერთ, პორტატულ მინიატურულ მოწყობილობაში.

ეს გახსნის ველს. ხალხი შეძლებს გამოიყენოს MINION საკუთარ სამზარეულოებში, რომ შეამოწმოს მათი მზა ლაზანას შინაარსი (შეიცავს ნამდვილად ძროხის ხორცი ან ეს ცხენოსნობაა?) ან გამოიყენეთ იგი პათოგენებისა და ალერგენების ზედამხედველობისთვის. ოქსფორდი ნანოპორი SmidgION– სთან ერთად ერთი ნაბიჯის გადადგმასაც აპირებს: დნმ მიმდევარი, რომელსაც შეგიძლიათ ტელეფონში ჩართოთ.

მაგრამ ჩვენ ჯერ მხოლოდ ვიწყებთ იმის გარკვევას, თუ რას გააკეთებენ ხალხი ამ ტექნოლოგიით. მეცნიერებმა ისარგებლეს Minion– ის პორტაბელურობით, რათა მონიტორინგი გაუწიონ ბიომრავალფეროვნებას ისეთ შორეულ ადგილებში, როგორებიცაა Antartica– ს McMurdo მშრალი ხეობები. NASA იყენებს მოწყობილობას კოსმოსში ასტრონავტების ჯანმრთელობის მდგომარეობის მონიტორინგისთვის და საბოლოოდ შეიძლება გამოიყენოს ეს ექსტრავერტული ცხოვრების ვიზუალიზაციისთვის. შესაძლოა, კენიაში ხელისუფლებამ დაუყოვნებლივ შეამოწმოს, ხორცი მოდის თუ არა უკანონო ბილიკიდან.

ნიუ იორკის გენომის ცენტრის ლაბორატორიაში შევიმუშავეთ მეთოდი, რომ გამოიყენოთ MinION დანაშაულის სცენაზე. ჩვენ გავაცნობიერე, რომ პორტატული მიმდევრობა, რომელსაც შედეგების გადატანა შეუძლია წუთებში, შეუძლია გამომძიებლებს დაეწყოს დაზარალებულთა ან ეჭვმიტანილ პირთა იდენტიფიცირება. სასამართლო ექსპერტიზის ტრადიციულ მეთოდებს შეუძლიათ დღეები, ზოგჯერ კვირები. ეს იმიტომ ხდება, რომ ვიღაცამ უნდა გადაიტანოს ნიმუშები დანაშაულის სცენიდან კეთილმოწყობილ ლაბორატორიებში, სადაც მტკიცებულებები რიგრიგობით დგება რიგში, სანამ ძვირი აპარატებია.

ნანოპორის თანმიმდევრობის სენსორები დამატებითია გენომიკის სფეროში და ნაკლებად სავარაუდოა, რომ შეცვალონ უფრო ტრადიციული თანმიმდევრობის პლატფორმები, მაგალითად, ბაზრის ლიდერის, Illumina- ს მიერ წარმოებული. დნმ-ის თანმიმდევრობის პლატფორმები ძალზე ზუსტია, რაც მათ აუცილებელს გახდის მთელი გენომის (რამდენჯერმე) მოსმენით, რაც საჭიროა, ვთქვათ, იმის განსაზღვრა, თუ რომელი გენეტიკური ცვალებადობა იწვევს ადამიანებში დაავადებებს.

ამგვარი ნამუშევარი ამჟამად არ არის Minion- ის სიძლიერე. მას აქვს შეცდომის სიჩქარე დაახლოებით 5 პროცენტი, რაც ნიშნავს რომ ყოველ 20 ბირთვს შორის ერთი წაკითხვის შეცდომაა. ეს მაღალია იმის გათვალისწინებით, რომ ორ პირს შორის განსხვავებაა 0,1 პროცენტი (ერთი ცვალებადობა ყოველ 1000 ნუკლეოტიდში). მაგრამ Minion– ის წაკითხვა კვლავ საკმარისია იმისთვის, რომ შევიტანოთ ის ალგორითმი, რომელიც ჩვენ შევიმუშავეთ დანაშაულის ადგილის ანალიზისთვის. ეს ალგორითმი ითვლის ალბათობას, რომ თმის ან დანაშაულის ადგილზე ნაპოვნი სხვა მასალები შესაბამისობაშია ინდივიდუალური პოლიციის მონაცემთა ბაზაში.

იმის გასაგებად, თუ რატომ მუშაობს ეს შეცდომები მაღალი შეცდომის შემთხვევაშიც კი, წარმოიდგინეთ, რომ მე თქვენ სახელი "ვოლდაამორდი" მიგითითეთ და გთხოვთ, მითხრათ, რომელ წიგნს მივმართავ. თქვენ შეიძლება აღიაროთ ეს ჰარი პოტერი, რადგან თქვენს თავში გაქვთ მონაცემთა ბაზა, რომელიც ჩამოყალიბდა კითხვის გზით, მიუხედავად იმისა, რომ სიტყვაში არსებობს სიტყვები, რომლებიც მე მე გაძლევთ. თქვენ არ გჭირდებათ ხელახლა წაკითხვის მთელი 300 გვერდიანი წიგნი ან „ვოლდემორტი“ ზუსტად წარმოადგინეთ. გენომიტიკა იგივე პრინციპით მუშაობს. მას შემდეგ, რაც თქვენ გაქვთ სასარგებლო მონაცემთა ბაზა, თქვენ გჭირდებათ მხოლოდ რამდენიმე დნმ-ის ინფორმაციული ფრაგმენტი, რომ დაადგინოთ რომელი ბაქტერიული სახეობებია მწნილის ნიმუშებში, ან ზოგჯერ რომელი პიროვნებაც წარმოიშვა დნმ.

ახლა, როდესაც დნმ-ის ყოვლისმომცველი თანმიმდევრობის ერა უახლოვდება, ჩვენ უნდა გავაუმჯობესოთ გენეტიკური წიგნიერება. როგორ მოვიქცეთ ამ გენომის "დიდი მონაცემები"? ასეთი კითხვების მოსაგვარებლად მე და იანვ ერლიჩმა 2015 წელს დავიწყეთ კლასი, სახელწოდებით Ubiquitous Genomics, კოლუმბიის უნივერსიტეტის კომპიუტერული მეცნიერებების განყოფილებაში. ჩვენ ვასწავლიდით სტუდენტებს ამ უახლესი ტექნოლოგიის შესახებ და მათ გამოცდილების მიღების შესაძლებლობას ვაძლევთ. სტუდენტებმა დნმ საკუთარი ხელით დააზიანეს და თავიანთი მონაცემების გასაანალიზებლად წარიმართეს გამოთვლითი მეთოდების შემუშავება. ამ ინტეგრირებულ სწავლაში წარმატების მიღწევამ მოგვიწვია გვეფიქრა, რომ მსგავსი რამის გაკეთება შეგვიძლია, სკოლის მოსწავლეების ჩასატარებლად გენომიკაში და მონაცემების ანალიზში. ჩვენ ამ მიზნით დავაარსეთ PlayDNA.

მიკროპლაეტის ახლო ხაზი, რომელიც გამოიყენება Minion– სთან. (თავაზიანობა ოქსფორდის ნანორეა)

პირველი PlayDNA საპილოტე კლასის დაწყებამდე ერთი დღით ადრე, მე დავყარე რამდენიმე ინგრედიენტი ჩემი ლანჩისაგან, რომელიც მოგვიანებით დასრულდებოდა საიდუმლო დნმ – ს ნიმუშში, რომელსაც მოსწავლეები უნდა შეესწავლათ. PlayDNA უზრუნველყოფს ინფრასტრუქტურას საკლასო ოთახებში, რომ არ აღელვებდეთ დნმ – ის მოპოვებას და დნმ – ის ბიბლიოთეკების მომზადებას, ამიტომ სტუდენტებს შეუძლიათ დაუყოვნებლივ დაიწყონ დნმ-ის თანმიმდევრობა და მათი მონაცემების ინტერპრეტაცია. ოცდამეორე წლის სტუდენტი, რომლებმაც მხოლოდ რამდენიმე საათის განმავლობაში მიიღეს მიკროპლოეტის ტრენინგი, დნმ-ს თანმიმდევრობით ადგენდნენ საკლასო ოთახში ჩასვლიდან ორი საათის შემდეგ. ბიოლოგიური ინფორმაციის რეალურ დროში გადაქცევა დიდ მონაცემებში ამყარებს საგანს; სტუდენტებს დიდი სურვილი ჰქონდათ იცოდნენ, თუ რომელი სახეობის შეიძლება დაფიქსირებულიყო დნმ-ის კითხვებში, რომელსაც ხედავდნენ. შემდეგი კვირის დავალება იყო მონაცემების ანალიზისა და ჩემი ლანჩის ინგრედიენტების და მათი კოეფიციენტების დადგენა. რა თქმა უნდა, მომდევნო კვირას ერთმა ჯგუფმა იკითხა: "სოფო, ხომ არ ჭამე ტომატის სალათი და ცხვრის ხორცი ლანჩისთვის?"

ტექნოლოგია მზადაა თქვენი სამზარეულოს მრიცხველისთვის? ვიკავებდი ხოლმე სივრცის შექმნას. ჯერ კიდევ საჭიროა რამდენიმე ცოდნა, თუ როგორ უნდა გაუმკლავდეს ნაბიჯებს თანმიმდევრობის დაწყებამდე, როგორიცაა უჯრედების გახსნა და დნმ-ის გაწმენდის საშუალება. ოქსფორდი ნანოპორი ასევე მუშაობს ამ ნაბიჯების ავტომატიზაციის გზებზე. საბოლოოდ, მე შემიძლია განვიხილო ოჯახი, სადაც ბავშვები იყენებენ SmidgION– ს, რომ ითამაშონ Pokemon Go– ის ახალი ვერსია პარკში, ნამდვილი სახეობებით, ხოლო დედამ მამას ჰკითხა: „ძვირფასო, დააწესე მაგიდა და გააკეთე თუ არა ლაზას თანმიმდევრობა?“

სოფო ზააიჯერი არის ნიუ – იორკის გენომის ცენტრის და PlayDNA– ს აღმასრულებელი დირექტორის პოსტდოკორალური თანამშრომელი, რომელიც ავითარებს გენომური მონაცემთა გაკვეთილებს საშუალო სკოლების, საშუალო სკოლებისა და საუნივერსიტეტო განათლებისთვის.