An Gadget a Dhéanann Seicheamh Leanaí DNA Seicheamh

Osclaíonn scoilteanna MinION biteicneolaíocht do na maiseanna ar an mbealach a rinne an ríomhaire an ríomhaireacht a dhaonlathú. Cad a dhéanfaimid leis an gcumhacht nua seo?

The MinION (Le caoinchead Oxford Nanopore)

Is tráthnóna Dé Máirt mé agus seasann Poppy, cailín 12 bliana d’aois i gCathair Nua Eabhrac, os comhair a ranga agus míníonn sí dá piaraí conas is féidir an cód beatha a léamh trí shnáithe DNA a rith trí rud ar a dtugtar nanopore. . Mar chuid de PlayDNA, clár a chomhbhunaigh mé, tá na mic léinn ag picilte cucumbers le seachtain anuas. Thomhais siad pH an leachta sna prócaí picilte agus chonaic siad ón scamall méadaitheach go raibh líon na gcealla baictéaracha ag dúbailt. Agus murab ionann agus glúnta ranganna eolaíochta os a gcomhair, thóg siad samplaí ó na prócaí chun na speicis baictéaracha a aithint trína DNA.

Tá sé in am anois an saol dofheicthe a nochtadh ina prócaí picilte. Cruinníonn na mic léinn timpeall an bhoird agus, in éineacht lena múinteoir, cuireann siad fíor-shampla DNA baictéarach i seicheamh DNA beag bídeach, nach ndéanann ach plocóidí isteach i gcalafort USB ríomhaire. Nótaí ina dhiaidh sin bíonn na chéad léamha DNA le feiceáil i bhfíor-am ar a scáileán.

Tá sé seo indéanta i meánscoil mar gheall ar an seicheamhóir DNA beag, ar a dtugtar an MinION, a rinne Oxford Nanopore Technologies. Tá an gléas seo á úsáid agam le beagnach dhá bhliain ag Ionad Géanóma Nua Eabhrac, áit a ndéanaim taighde ar conas é a úsáid chun samplaí DNA a ath-aithint. Ba iad mo chomhairleoir, Yaniv Erlich, agus mise an chéad duine a chuir i bhfeidhm é i seomra ranga in Ollscoil Columbia, agus anois tá sé mar chuid dár gclár PlayDNA i scoileanna áitiúla. Táim cinnte gur cloch mhíle é sa teicneolaíocht. Tugann seicheamhú DNA iniompartha cumhacht do dhuine ar bith, ní amháin eolaithe, an saol a fheiceáil ar réiteach níos airde ná mar is féidir leis an gceamara is fearr a sholáthar - agus fiú tar éis do chréatúr a bheith imithe. Is féidir linn ár bhfís a leathnú chun gach speiceas a fheiceáil, ní amháin na cinn atá infheicthe don tsúil nocht.

Cosnaíonn an MinION $ 1,000 agus is é méid barra candy é. Nascann sé le calafort USB ríomhaire glúine. Chun sampla DNA a léamh, úsáideann tú micreapipéad chun “leabharlann DNA” a scaoileadh (níos mó ná sin i nóiméid) trí oscailt de mhéid milliméadar ar an MinION. Taobh istigh den fheiste tá nana-phóir, cóin díreach os cionn an billiúnú méadar ar leithead, curtha i membrane. Sreabhann sruth ian seasta trí na nana-phóir seo. Ós rud é go bhfuil comhdhéanamh móilíneach uathúil ag gach núicléatíd (A, T, C nó G), tá cruth difriúil ar gach ceann acu. Cuireann an cruth uathúil a théann tríd an pore isteach ar shruth na n-ian ar bhealach ar leith. Díreach mar is féidir linn cruth a fháil trí anailís a dhéanamh ar a scáth ar bhalla, is féidir linn aitheantas núicléitíde a fháil ó na suaitheadh ​​a chuireann sé ar an sruth ian. Seo mar a athraíonn an gléas bunanna go giotáin a shruthlaíonn isteach i ríomhaire.

Léaráid ar an gcaoi a sreabhann DNA agus sruth trí nanopore. (Le caoinchead Oxford Nanopore)

Nílimid fós in ann sú picilte micropipette a chur isteach go díreach sa MinION. Teastaíonn roinnt céimeanna chun cinn chun an leabharlann DNA atá in ord a ullmhú. Ar dtús caithfidh tú na cealla sa sú picilte a oscailt agus a gcuid DNA a íonú. Tá cealla difriúla ar fad - b’fhéidir go gcuimhneofá ó aicme na bitheolaíochta go bhfuil ballaí cille plandaí murab ionann agus ballaí cealla baictéaracha, atá murab ionann agus seicní cealla mamacha - agus teastaíonn a modh féin ó gach cineál cille. Ansin, is gá an DNA íonaithe a ullmhú sa chaoi is gur féidir leis an MinION é a léamh i ndáiríre. Éilíonn na céimeanna seo chun an leabharlann DNA a chruthú meaisíní nach bhfuil so-úsáidte fós do dhuine neamh-speisialtóra, lena n-áirítear micrea-lártheifneoir agus rothaí thermo (ag Méarlorgú DNA a Dhaonlathú is féidir leat mé a fheiceáil ag feidhmiú an prep leabharlainne seo agus seicheamhú DNA ar dhíon i Cathair Nua Eabhrac). Ach sa todhchaí, déanfar na céimeanna seo freisin i bhfeiste beag iniompartha amháin.

Osclóidh sé seo an réimse. Beidh daoine in ann an MinION a úsáid ina gcistiní chun ábhar a lasagna réamhdhéanta a fhíorú (an bhfuil mairteoil ann i ndáiríre nó an é sin an fheoil chapaill?) Nó é a úsáid chun faireachas a dhéanamh ar phaitiginí agus hailléirginí. Tá Oxford Nanopore ag pleanáil fiú dul céim amháin eile leis an SmidgION: seicheamhóir DNA is féidir leat a plugáil isteach i do ghuthán.

Ach nílimid ag tosú ach a fheiceáil cad a dhéanfaidh daoine leis an teicneolaíocht seo. Tá eolaithe tar éis leas a bhaint as iniomparthacht an MinION chun monatóireacht a dhéanamh ar bhithéagsúlacht i gceantair iargúlta ar nós Gleannta Tirim McMurdo Antartica. Tá NASA ag úsáid an ghléis chun monatóireacht a dhéanamh ar stádas sláinte spásairí sa spás agus d’fhéadfadh sé é a úsáid sa deireadh chun an saol eachtardhomhanda a shamhlú. D’fhéadfadh údaráis sa Chéinia seiceáil láithreach an dtagann feoil ó phóitseáil neamhdhleathach.

Inár saotharlann ag Ionad Nua-Eabhrac Genome d’fhorbraíomar modh chun an MinION a úsáid ag láithreacha coire. Chonaiceamar go bhféadfadh seicheamhóir iniompartha, a fhéadfaidh torthaí a sheachadadh i nóiméid, tús tosaigh a thabhairt d’imscrúdaitheoirí maidir le híospartaigh nó daoine a bhfuil amhras fúthu a aithint. Is féidir le modhanna fóiréinseacha traidisiúnta laethanta a thógáil, uaireanta seachtainí. Sin toisc go gcaithfidh duine na samplaí a iompar ó láithreacha coire go saotharlanna dea-fheistithe, áit a suíonn an fhianaise i scuaine sula ndéantar iad a reáchtáil trí mheaisíní daor.

Is breiseán le réimse na géanóm iad braiteoirí seicheamhú nanopore agus ní dócha go n-athróidh siad na hardáin seicheamhaithe níos traidisiúnta, cosúil leo siúd a tháirgeann ceannaire an mhargaidh, Illumina. Tá na hardáin seicheamhú DNA sin thar a bheith cruinn, rud a fhágann go bhfuil siad fíor-riachtanach chun géanóm iomlán a léamh (cúpla uair), agus is é sin a theastaíonn chun, abair, a chinneadh cé na héagsúlachtaí géiniteacha i ndaoine as a dtagann galair.

Ní neart an MinION an cineál sin oibre faoi láthair. Tá ráta earráide de thart ar 5 faoin gcéad aige, rud a chiallaíonn go bhfuil earráid léitheoireachta amháin ann gach 20 núicléatíd. Tá sé sin ard ag smaoineamh gurb é an difríocht idir dhá dhuine ná 0.1 faoin gcéad (athrú amháin gach 1,000 núicléatídí). Ach tá an inléiteacht ón MinION fós maith go leor chun cur leis an algartam a d’fhorbraíomar le haghaidh anailíse ar láithreacha coire. Déanann an algartam seo an dóchúlacht go gcomhcheanglaíonn gruaig nó ábhar éigin eile a aimsítear ag láthair choire duine i mbunachar sonraí speisialta póilíní.

Chun a thuiscint cén fáth go n-oibríonn sé seo fiú leis an ráta ard earráide, samhlaigh go dtabharfaidh mé an t-ainm “Voldamord” duit agus iarr ort a rá liom cén leabhar a bhfuil mé ag tagairt dó. D’fhéadfá a aithint gur leabhar Harry Potter é toisc go bhfuil bunachar sonraí agat i do cheann a cruthaíodh trí léamh, cé go bhfuil typos san fhocal atá á thabhairt agam duit. Ní gá duit an leabhar 300 leathanach iomlán a athléamh nó “Voldemort” a chur i láthair i gceart. Oibríonn an géanóm ar an bprionsabal céanna. Nuair atá bunachar sonraí úsáideach agat, níl de dhíth ort ach roinnt blúirí faisnéiseach DNA chun na speicis baictéaracha atá i láthair sna samplaí picilte a aithint nó uaireanta fiú cén duine as ar tháinig an DNA.

Anois go bhfuil ré na seicheamh DNA uileláithreach ag druidim níos gaire, caithfimid litearthacht ghéiniteach a fheabhsú. Conas a láimhseáilimid na “sonraí móra” géanómacha seo? Chun aghaidh a thabhairt ar cheisteanna den sórt sin, chuir Yaniv Erlich agus mé tús le rang darb ainm Ubiquitous Genomics i roinn eolaíochta ríomhaireachta Ollscoil Columbia in 2015. Mhúin muid do mhic léinn faoin teicneolaíocht cheannródaíoch seo agus fuair muid taithí a fháil ar an acmhainneacht. Chuir na mic léinn seicheamh ar DNA lena lámha féin, agus spreagadh iad chun modhanna ríomha a fhorbairt chun a gcuid sonraí a anailísiú. Spreag rath na hiarrachta seo i “bhfoghlaim chomhtháite” muid chun smaoineamh go bhféadfaimis rud éigin cosúil leis a dhéanamh chun leanaí scoile a chur ag plé le géanóm agus anailís sonraí. Bhunaíomar PlayDNA leis an aidhm sin.

Dúnadh an mhicreapipéad a úsáidtear le MinION. (Le caoinchead Oxford Nanopore)

An lá roimh thús an chéad rang píolótach PlayDNA, leag mé cúpla comhábhar ó mo lón a chríochnódh níos déanaí i sampla rúndiamhair DNA a bhí le déanamh ag na mic léinn. Soláthraíonn PlayDNA an bonneagar do dhaoine nach gá dóibh a bheith buartha faoi DNA a bhaint agus na leabharlanna DNA a ullmhú, ionas gur féidir le mic léinn tús a chur le seicheamhú DNA láithreach bonn agus a gcuid sonraí a léirmhíniú. Bhí fiche mac léinn 12 bliana d’aois, nach bhfuair ach cúpla uair an chloig d’oiliúint micropipette, ag seicheamhú DNA ní dhá uair an chloig tar éis dóibh an seomra ranga a bhaint amach. Beartaíonn an t-ábhar an t-ábhar bitheolaíoch a thiontú go sonraí móra i bhfíor-am; bhí fonn ar na mic léinn a fháil amach cé na speicis a d’fhéadfaí a fheiceáil sna léamha DNA a bhí á fheiceáil acu. Ba é an sannadh a bhí acu an tseachtain dar gcionn ná anailís a dhéanamh ar na sonraí agus comhábhair agus cóimheasa mo lóin a aithint. Cinnte go leor, an tseachtain dar gcionn d’fhiafraigh grúpa amháin: “Sophie, ar ith tú sailéad trátaí agus roinnt feola caorach don lón?”

An bhfuil an teicneolaíocht réidh le haghaidh do chuntar cistine? Chuirfinn stad ar spás a dhéanamh ar feadh tamaill. Bíonn roinnt fios gnó aige fós chun na céimeanna a láimhseáil sula ndéantar iad a chur in ord, cosúil leis na cealla a bhriseadh oscailte agus an DNA a íonú. Tá Oxford Nanopore ag obair ar bhealaí chun na céimeanna seo a uathoibriú freisin, áfach. Faoi dheireadh, is féidir liom teaghlach a thuar ina bhfuil na páistí ag úsáid SmidgION chun leagan nua de Pokemon Go a imirt sa pháirc le fíor-speicis, agus fiafraíonn mamaí d’athair: “Darling, ar shocraigh tú an tábla agus ar chuir tú an lasagna in ord?”

Is comhalta iardhochtúireachta í Sophie Zaaijer ag Ionad Géanóma Nua Eabhrac agus POF PlayDNA, atá ag forbairt ranganna sonraí géanóm do mheánscoileanna, ardscoileanna, agus oideachas ollscoile.