DNA 시퀀싱 어린이 놀이를 만드는 가제트

MinION은 개방형 생명 공학 기술을 PC가 민주화하는 방식을 대중에게 공개합니다. 우리는이 새로운 힘으로 무엇을 할 것입니까?

미니언 (옥스포드 나노 포어 제공)

나는 화요일 오후이고 뉴욕시에서 열두 살짜리 소녀 인 Poppy는 교실 앞에 서서 나노 포어 (nanopore)라고 불리는 것을 통해 DNA 가닥을 통과시켜 삶의 코드를 읽는 방법을 동료들에게 설명합니다. . 제가 공동 창립 한 프로그램 인 PlayDNA의 일환으로 학생들은 지난 주 동안 오이를 산세했습니다. 그들은 피클 병에서 액체의 pH를 측정했으며 박테리아 세포의 수가 두 배로 증가하는 흐림 현상이 증가하는 것을 보았습니다. 그리고 이전 세대의 과학 수업과는 달리, 항아리에서 샘플을 채취하여 DNA로 박테리아 종을 식별했습니다.

이제 피클 병에 보이지 않는 삶을 드러 낼 시간입니다. 학생들은 테이블 주위에 모여 선생님과 함께 작은 DNA 시퀀서에 실제 박테리아 DNA 샘플을 넣습니다. 컴퓨터의 USB 포트에 연결하기 만하면됩니다. 몇 분 후 첫 DNA 판독 값이 실시간으로 화면에 나타납니다.

이것은 옥스포드 나노 포어 테크놀로지스가 만든 미니언 (Minion)이라고 불리는 소형 DNA 시퀀서 때문에 중학교에서 가능합니다. 뉴욕 게놈 센터에서이 장치를 거의 2 년 동안 사용해 왔는데, DNA 샘플의 재 식별에이 장치를 사용하는 방법을 연구했습니다. 저의 고문관 인 Yaniv Erlich와 저는 Columbia University 강의실에서이를 처음 구현했으며 이제는 지역 학교의 PlayDNA 프로그램의 일부입니다. 나는 그것이 기술의 이정표를 대표한다고 확신합니다. 휴대용 DNA 시퀀싱은 과학자뿐만 아니라 모든 사람이 가장 멋진 카메라가 제공 할 수있는 것보다 더 높은 해상도에서 생명체를 볼 수있게합니다. 육안으로 볼 수있는 종만이 아니라 모든 종을 보는 비전을 넓힐 수 있습니다.

미니언은 1,000 달러이며 캔디 바의 크기입니다. 랩톱 컴퓨터의 USB 포트에 연결됩니다. DNA 샘플을 읽게하려면 마이크로 피펫을 사용하여 MinION의 밀리미터 크기의 개구부를 통해 "DNA 라이브러리"(1 분 이상)를 떨어 뜨립니다. 장치 안에는 나노 포어, 너비가 10 억분의 1 미터가 넘는 원뿔이 막에 놓여 있습니다. 이 나노 포어에는 일정한 이온 전류가 흐른다. 각 뉴클레오타이드 (A, T, C 또는 G)는 고유 한 분자 구성을 갖기 때문에 각각 다르게 형성됩니다. 기공을 통과하는 독특한 모양은 특정 방식으로 이온 전류를 차단합니다. 벽에 그림자를 분석하여 모양을 추론 할 수있는 것처럼, 이온 전류에 영향을 미치는 장애로부터 뉴클레오티드의 동일성을 추론 할 수 있습니다. 이것은 장치가베이스를 컴퓨터로 스트리밍되는 비트로 변환하는 방법입니다.

DNA와 전류가 나노 포어를 통해 흐르는 방식을 보여줍니다. (옥스포드 나노 포어 제공)

아직 미니 피클 피클 주스를 MinION에 직접 마이크로 피펫 할 수는 없습니다. 시퀀싱 된 DNA 라이브러리를 준비하려면 몇 가지 고급 단계가 필요합니다. 먼저 피클 주스의 세포를 깨고 DNA를 정화해야합니다. 세포는 모두 다릅니다 – 생물학 세포에서 식물 세포벽은 포유류 세포의 막과는 다른 박테리아 세포벽과는 다르게 보이며 각 세포 유형에는 고유 한 방법이 필요합니다. 그런 다음 정제 된 DNA는 MinION이 실제로 읽을 수 있도록 준비해야합니다. DNA 라이브러리를 생성하기위한이 단계에는 마이크로 원심 분리기 및 열 사이 클러를 포함하여 비전문가에게는 아직 사용자에게 친숙하지 않은 기계가 필요합니다 (DNA 핑거 프린트에서 민주화 과정에서 옥상에서이 라이브러리 준비 및 DNA 시퀀싱을 수행하는 것을 볼 수 있습니다) 뉴욕시). 그러나 앞으로 이러한 단계는 휴대용 단일 소형 장치에서도 수행 될 것입니다.

필드가 열립니다. 사람들은 부엌에서 미니언을 사용하여 기성품 라자냐의 내용물을 확인하거나 (실제로 쇠고기가 포함되어 있거나 말고기입니까?) 병원체와 알레르겐을 감시하는 데 사용할 수 있습니다. 옥스포드 나노 포어는 스마트 폰에 연결할 수있는 DNA 시퀀서 인 SmidgION으로 한 걸음 더 나아갈 계획입니다.

그러나 우리는 여전히 사람들이이 기술로 무엇을할지보기 시작했습니다. 과학자들은 Antionica의 McMurdo Dry Valleys와 같은 외진 지역에서 생물 다양성을 모니터링하기 위해 MinION의 이식성을 활용했습니다. NASA는 우주에서 우주 비행사의 건강 상태를 모니터링하기 위해이 장치를 사용하고 있으며,이를 이용해 외계 생명체를 시각화 할 수 있습니다. 케냐 당국은 곧 육류가 불법 밀렵에서 나오는지 즉시 확인할 수 있습니다.

뉴욕 게놈 센터 연구소에서 범죄 현장에서 미니언을 사용하는 방법을 개발했습니다. 우리는 몇 분 안에 결과를 전달할 수있는 휴대용 시퀀서가 조사자에게 피해자 나 용의자를 식별하는 데 먼저 출발 할 수 있다고 생각했습니다. 전통적인 법의학 방법은 며칠, 때로는 몇 주가 걸릴 수 있습니다. 이는 누군가가 범죄 현장에서 장비를 갖춘 실험실로 샘플을 운송해야하기 때문입니다.이 실험실에서 증거는 값 비싼 기계를 통해 가동되기 전에 대기열에 보관됩니다.

나노 포어 시퀀싱 센서는 유전체 분야에 추가 된 것으로서 시장의 선두 업체 인 일루미나 (Illumina)가 생산 한 것과 같은보다 전통적인 시퀀싱 플랫폼을 대체 할 가능성은 낮습니다. 이 DNA 염기 서열 분석 플랫폼은 매우 정확하여 전체 게놈 (몇 번)을 읽는 데 없어서는 안됩니다. 이는 사람들의 어떤 유전자 변이가 질병을 일으키는 지 결정하는 데 필요합니다.

그런 종류의 일은 현재 미니언의 힘이 아닙니다. 약 5 %의 오류율을 가지며 이는 20 개의 뉴클레오티드마다 하나의 판독 오류가 있음을 의미합니다. 두 개인의 차이가 0.1 % (1,000 개의 뉴클레오티드마다 한 번의 변동)라는 점을 고려하면 매우 높습니다. 그러나 MinION의 판독 값은 여전히 ​​범죄 현장 분석을 위해 개발 한 알고리즘에 적용하기에 충분합니다. 이 알고리즘은 범죄 현장에서 발견 된 머리카락이나 기타 물질이 특수 경찰 데이터베이스의 개인과 일치 할 확률을 계산합니다.

오류율이 높은 경우에도 이것이 왜 작동하는지 이해하려면 "Voldamord"라는 이름을 지정하고 내가 어떤 책을 참조하고 있는지 말해달라고 상상해보십시오. 내가주는 단어에 오타가 있더라도 읽기를 통해 구성되는 데이터베이스가 머리에 있기 때문에 해리포터 책임을 알 수 있습니다. 전체 300 페이지의 책을 다시 읽거나“Voldemort”를 정확하게 제시 할 필요는 없습니다. 유전체학도 같은 원리로 작동합니다. 유용한 데이터베이스를 확보 한 후에는 피클 샘플에 어떤 박테리아 종이 존재하는지 또는 어떤 사람이 DNA를 사용했는지 식별하기 위해 유익한 DNA 조각 만 있으면됩니다.

유비쿼터스 DNA 시퀀싱 시대가 가까워지면서 유전 적 능력을 향상시켜야합니다. 이 게놈 "빅 데이터"를 어떻게 처리합니까? 이러한 문제를 해결하기 위해 Yaniv Erlich와 저는 2015 년 Columbia University 컴퓨터 과학 부서에서 Ubiquitous Genomics라는 수업을 시작했습니다. 우리는 학생들에게이 최첨단 기술에 대해 가르치고 잠재력을 경험하게했습니다. 학생들은 자신의 손으로 DNA를 서열 분석하고 데이터를 분석하는 계산 방법을 개발하도록 장려했습니다. “통합 학습”에서의 이러한 노력의 성공으로 인해 우리는 학생들이 유전체학 및 데이터 분석에 참여할 수있는 비슷한 일을 할 수 있다고 생각했습니다. 우리는 그 목표로 PlayDNA를 설립했습니다.

MinION과 함께 사용 된 마이크로 피펫의 근접 촬영입니다. (옥스포드 나노 포어 제공)

첫 번째 PlayDNA 파일럿 클래스가 시작되기 전날, 나는 점심에서 학생들이 확인해야 할 미스터리 DNA 샘플로 만들어 질 몇 가지 재료를 준비했습니다. PlayDNA는 교실에서 DNA 추출 및 DNA 라이브러리 준비에 대해 걱정할 필요가없는 인프라를 제공하므로 학생들은 DNA를 즉시 시퀀싱하고 데이터를 해석 할 수 있습니다. 단지 2 시간의 마이크로 피펫 훈련을받은 12 세의 20 명의 학생들은 교실에 도착한 후 2 시간이 아닌 DNA를 시퀀싱했습니다. 생물학적 정보를 빅 데이터로 실시간으로 변환하면 주제가 활기를 띠게됩니다. 학생들은 그들이보고있는 DNA 판독에서 어떤 종을 발견 할 수 있는지 알고 싶어했습니다. 다음 주에 그들의 임무는 데이터를 분석하고 재료와 점심의 비율을 확인하는 것이 었습니다. 다음 주에 한 그룹이 물었습니다.“소피, 점심에 토마토 샐러드와 양고기를 먹었습니까?”

부엌 카운터를위한 기술이 준비되어 있습니까? 나는 잠시 동안 공간을 만들기를 막을 것입니다. 세포를 개방하고 DNA를 정제하는 것과 같이 시퀀싱하기 전에 단계를 처리하는 방법에는 여전히 노하우가 필요합니다. 그러나 Oxford Nanopore는 이러한 단계를 자동화하는 방법을 연구하고 있습니다. 결국, 아이들이 SmidgION을 사용하여 공원에서 실제 종과 함께 새로운 버전의 Pokemon Go를 플레이하는 가족을 예견 할 수 있습니다. 엄마는 아빠에게 물었습니다.“아들 아, 탁자를 설정하고 라자냐를 시퀀싱 했습니까?”

Sophie Zaaijer는 뉴욕 게놈 센터의 박사후 연구원이며 PlayDNA의 CEO로 중학교, 고등학교 및 대학 교육을위한 게놈 데이터 클래스를 개발하고 있습니다.