Das Gadget, mit dem die DNA-Sequenzierung zum Kinderspiel wird

Der MinION öffnet die Biotechnologie für die Massen so, wie der PC das Computing demokratisiert hat. Was werden wir mit dieser neu entdeckten Kraft machen?

The MinION (mit freundlicher Genehmigung von Oxford Nanopore)

Es ist ein Dienstagnachmittag und Poppy, ein 12-jähriges Mädchen in New York City, steht vor ihrer Klasse und erklärt ihren Kollegen, wie der Code des Lebens gelesen werden kann, indem ein DNA-Strang durch eine sogenannte Nanopore geführt wird . Im Rahmen von PlayDNA, einem von mir mitbegründeten Programm, haben die Schüler in der vergangenen Woche Gurken eingelegt. Sie haben den pH-Wert der Flüssigkeit in den Einmachgläsern gemessen und anhand der zunehmenden Trübung festgestellt, dass sich die Anzahl der Bakterienzellen verdoppelt hat. Und im Gegensatz zu Generationen von Wissenschaftsklassen vor ihnen haben sie Proben aus den Gläsern entnommen, um die Bakterienspezies anhand ihrer DNA zu identifizieren.

Es ist jetzt Zeit, das unsichtbare Leben in ihren Einmachgläsern zu enthüllen. Die Schüler versammeln sich um den Tisch und legen zusammen mit ihrem Lehrer eine echte bakterielle DNA-Probe in einen winzigen DNA-Sequenzer, der einfach an den USB-Anschluss eines Computers angeschlossen wird. Minuten später erscheinen die ersten DNA-Lesevorgänge in Echtzeit auf ihrem Bildschirm.

Dies ist in einer Mittelschule aufgrund des Miniatur-DNA-Sequenzers MinION von Oxford Nanopore Technologies möglich. Ich benutze dieses Gerät seit fast zwei Jahren im New York Genome Center, wo ich erforsche, wie ich es zur erneuten Identifizierung von DNA-Proben verwenden kann. Mein Berater, Yaniv Erlich, und ich waren die ersten, die es in ein Klassenzimmer der Columbia University implementiert haben. Jetzt ist es Teil unseres PlayDNA-Programms an örtlichen Schulen. Ich bin überzeugt, dass dies ein Meilenstein in der Technologie ist. Die tragbare DNA-Sequenzierung ermöglicht es jedem, nicht nur Wissenschaftlern, das Leben mit einer höheren Auflösung zu sehen, als es die schickste Kamera bieten kann - und selbst nachdem eine Kreatur verschwunden ist. Wir können unsere Sicht erweitern, um alle Arten zu sehen, nicht nur diejenigen, die mit bloßem Auge sichtbar sind.

Der MinION kostet 1.000 US-Dollar und hat die Größe eines Schokoriegels. Es wird an den USB-Anschluss eines Laptops angeschlossen. Um eine DNA-Probe lesen zu können, verwenden Sie eine Mikropipette, um eine „DNA-Bibliothek“ (mehr dazu in einer Minute) durch eine millimetergroße Öffnung am MinION zu werfen. Im Inneren des Geräts befinden sich Nanoporen, Kegel mit einer Breite von etwas mehr als einem Milliardstel Meter, die in einer Membran angeordnet sind. Durch diese Nanoporen fließt ein stetiger Ionenstrom. Da jedes Nukleotid (A, T, C oder G) eine einzigartige molekulare Zusammensetzung aufweist, ist jedes etwas anders geformt. Die einzigartige Form, die durch die Pore geht, unterbricht den Ionenstrom auf spezifische Weise. So wie wir eine Form ableiten können, indem wir ihren Schatten an einer Wand analysieren, können wir die Identität eines Nukleotids aus den Störungen ableiten, die es für den Ionenstrom verursacht. Auf diese Weise konvertiert das Gerät Basen in Bits, die in einen Computer übertragen werden.

Ein Beispiel dafür, wie DNA und Strom durch eine Nanopore fließen. (Mit freundlicher Genehmigung von Oxford Nanopore)

Wir sind noch nicht in der Lage, Gurkensaft direkt in den MinION zu mikropipetten. Einige fortgeschrittene Schritte sind erforderlich, um die sequenzierte DNA-Bibliothek vorzubereiten. Zuerst müssen Sie die Zellen im Gurkensaft aufbrechen und ihre DNA reinigen. Die Zellen sind alle unterschiedlich - Sie erinnern sich vielleicht aus dem Biologieunterricht, dass pflanzliche Zellwände anders aussehen als bakterielle Zellwände, die sich von den Membranen von Säugetierzellen unterscheiden - und jeder Zelltyp erfordert seine eigene Methode. Dann muss die gereinigte DNA so hergestellt werden, dass der MinION sie tatsächlich lesen kann. Diese Schritte zum Erstellen der DNA-Bibliothek erfordern Maschinen, die für einen Nichtfachmann noch nicht benutzerfreundlich sind, einschließlich einer Mikrozentrifuge und eines Thermocyclers (unter Demokratisieren des DNA-Fingerabdrucks können Sie sehen, wie ich diese Bibliotheksvorbereitung und DNA-Sequenzierung auf einem Dach in durchführe New York City). In Zukunft werden diese Schritte jedoch auch in einem einzigen tragbaren Miniaturgerät ausgeführt.

Dies öffnet das Feld. Menschen können den MinION in ihrer Küche verwenden, um den Inhalt ihrer fertigen Lasagne zu überprüfen (enthält sie wirklich Rindfleisch oder ist das Pferdefleisch?) Oder um sie zur Überwachung von Krankheitserregern und Allergenen zu verwenden. Oxford Nanopore plant sogar, mit dem SmidgION noch einen Schritt weiter zu gehen: einem DNA-Sequenzer, den Sie an Ihr Telefon anschließen können.

Aber wir beginnen immer noch zu sehen, was die Leute mit dieser Technologie machen werden. Wissenschaftler haben die Portabilität des MinION genutzt, um die biologische Vielfalt in abgelegenen Gebieten wie den McMurdo Dry Valleys in Antartica zu überwachen. Die NASA verwendet das Gerät, um den Gesundheitszustand von Astronauten im Weltraum zu überwachen und könnte es schließlich zur Visualisierung des außerirdischen Lebens verwenden. Behörden in Kenia könnten bald prüfen, ob Fleisch von illegaler Wilderei stammt.

In unserem Labor im New York Genome Center haben wir eine Methode entwickelt, um den MinION an Tatorten einzusetzen. Wir gingen davon aus, dass ein tragbarer Sequenzer, der in wenigen Minuten Ergebnisse liefern kann, den Ermittlern einen Vorsprung bei der Identifizierung von Opfern oder Verdächtigen verschaffen könnte. Traditionelle forensische Methoden können Tage, manchmal Wochen dauern. Das liegt daran, dass jemand die Proben von Tatorten zu gut ausgestatteten Labors transportieren muss, wo die Beweise in einer Warteschlange stehen, bevor sie durch teure Maschinen geführt werden.

Nanoporen-Sequenzierungssensoren sind eine Ergänzung des Genomics-Bereichs und werden wahrscheinlich nicht die traditionelleren Sequenzierungsplattformen ersetzen, wie sie vom Marktführer Illumina hergestellt werden. Diese DNA-Sequenzierungsplattformen sind äußerst genau und daher für das Lesen eines gesamten Genoms (einige Male) unverzichtbar. Dies ist beispielsweise erforderlich, um festzustellen, welche genetischen Variationen bei Menschen zu Krankheiten führen.

Diese Art von Arbeit ist derzeit nicht die Stärke des MinION. Es hat eine Fehlerrate von ungefähr 5 Prozent, was bedeutet, dass alle 20 Nukleotide ein Lesefehler auftritt. Das ist hoch, wenn man bedenkt, dass der Unterschied zwischen zwei Individuen 0,1 Prozent beträgt (eine Variation alle 1.000 Nukleotide). Die Anzeige des MinION ist jedoch immer noch gut genug, um in den Algorithmus einzusteigen, den wir für die Analyse von Tatorten entwickelt haben. Dieser Algorithmus berechnet die Wahrscheinlichkeit, dass Haare oder anderes an einem Tatort gefundenes Material mit einer Person in einer speziellen Polizeidatenbank übereinstimmen.

Um zu verstehen, warum dies trotz der hohen Fehlerrate funktioniert, stellen Sie sich vor, ich gebe Ihnen den Namen „Voldamord“ und bitte Sie, mir zu sagen, auf welches Buch ich mich beziehe. Sie werden vielleicht erkennen, dass es sich um ein Harry-Potter-Buch handelt, weil Sie eine Datenbank in Ihrem Kopf haben, die durch Lesen entstanden ist, obwohl das Wort, das ich Ihnen gebe, Tippfehler enthält. Sie müssen nicht das gesamte 300-seitige Buch erneut lesen oder „Voldemort“ genau richtig präsentieren. Die Genomik arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Sobald Sie eine nützliche Datenbank haben, benötigen Sie nur einige informative DNA-Fragmente, um zu identifizieren, welche Bakterienarten in den Gurkenproben vorhanden sind oder manchmal sogar von welcher Person die DNA stammt.

Jetzt, da die Ära der allgegenwärtigen DNA-Sequenzierung näher rückt, müssen wir die genetische Kompetenz verbessern. Wie gehen wir mit diesen genomischen „Big Data“ um? Um diese Fragen zu beantworten, haben Yaniv Erlich und ich 2015 eine Klasse namens Ubiquitous Genomics an der Informatikabteilung der Columbia University gestartet. Wir haben Studenten über diese Spitzentechnologie unterrichtet und sie dazu gebracht, das Potenzial zu erfahren. Die Schüler sequenzierten DNA mit ihren eigenen Händen und wurden ermutigt, Berechnungsmethoden zur Analyse ihrer Daten zu entwickeln. Der Erfolg dieser Bemühungen beim „integrativen Lernen“ ermutigte uns zu der Annahme, dass wir etwas Ähnliches tun könnten, um Schulkinder in die Genomik und Datenanalyse einzubeziehen. Zu diesem Zweck haben wir PlayDNA gegründet.

Eine Nahaufnahme der mit MinION verwendeten Mikropipette. (Mit freundlicher Genehmigung von Oxford Nanopore)

Am Tag vor dem Start der ersten PlayDNA-Pilotklasse habe ich einige Zutaten aus meinem Mittagessen herausgenommen, die später in einer mysteriösen DNA-Probe enden sollten, die die Schüler identifizieren mussten. PlayDNA bietet die Infrastruktur für Klassenzimmer, damit Sie sich nicht um das Extrahieren von DNA und das Vorbereiten der DNA-Bibliotheken kümmern müssen, sodass die Schüler sofort mit der Sequenzierung von DNA und der Interpretation ihrer Daten beginnen können. Zwanzig 12-jährige Schüler, die nur ein paar Stunden Mikropipettentraining erhielten, sequenzierten die DNA nicht zwei Stunden nach ihrer Ankunft im Klassenzimmer. Die Echtzeit-Umwandlung biologischer Informationen in Big Data belebt das Thema. Die Schüler waren gespannt, welche Arten in den DNA-Anzeigen, die sie sahen, entdeckt werden konnten. Ihre Aufgabe für die folgende Woche war es, die Daten zu analysieren und die Zutaten und ihre Verhältnisse meines Mittagessens zu identifizieren. Sicher genug, in der folgenden Woche fragte eine Gruppe: "Sophie, hast du zum Mittagessen einen Tomatensalat und etwas Schaffleisch gegessen?"

Ist die Technologie für Ihre Küchentheke bereit? Ich würde mich eine Weile zurückhalten, um Platz zu schaffen. Es erfordert noch etwas Know-how, um die Schritte vor der Sequenzierung zu handhaben, wie das Aufbrechen der Zellen und das Reinigen der DNA. Oxford Nanopore arbeitet jedoch auch an Möglichkeiten, diese Schritte zu automatisieren. Schließlich kann ich eine Familie vorhersehen, in der die Kinder mit einer SmidgION eine neue Version von Pokemon Go im Park mit echten Arten spielen, während Mama Papa fragt: „Liebling, hast du den Tisch gedeckt und die Lasagne sequenziert?“

Sophie Zaaijer ist Postdoktorandin am New York Genome Center und CEO von PlayDNA, das Genomdatenklassen für Mittelschulen, Gymnasien und Universitäten entwickelt.