DNAシーケンスを子供の遊びにするガジェット

MinIONは、PCを民主化したコンピューティングの方法で、オープンバイオテクノロジーを大衆に解き放ちます。 私たちはこの新たに発見された力で何をしますか?

MinION(オックスフォードナノポア提供)

私は火曜日の午後で、ニューヨーク市の12歳の女の子であるポピーがクラスの前に立ち、DNA鎖をナノポアと呼ばれるものに通すことで生命のコードを読み取る方法を同僚に説明します。 私が共同で設立したPlayDNAの一環として、生徒たちはこの1週間、きゅうりを漬けてきました。 彼らは漬物瓶の中の液体のpHを測定しました、そして、増加する曇りからバクテリア細胞の数が倍増しているのを見ました。 以前の世代のサイエンスクラスとは異なり、瓶からサンプルを採取して、DNAによって細菌種を識別しました。

ピクルスの瓶の中の見えない生命を明らかにする時が来ました。 生徒たちはテーブルの周りに集まり、教師と一緒に、実際の細菌のDNAサンプルを小さなDNAシーケンサーに入れます。これは、コンピューターのUSBポートに接続するだけです。 数分後、最初のDNA読み取りがリアルタイムで画面に表示されます。

これは、Oxford Nanopore Technologies製のMinIONと呼ばれるミニチュアDNAシーケンサーのため、中学校で可能です。 私はこのデバイスをニューヨークゲノムセンターで約2年間使用しており、そこでDNAサンプルの再識別のためにそれを使用する方法を研究しています。 私のアドバイザーであるYaniv Erlichと私は、それをコロンビア大学の教室に最初に実装しましたが、現在は地元の学校でPlayDNAプログラムの一部になっています。 それは技術のマイルストーンを表すと確信しています。 ポータブルDNAシーケンスにより、科学者だけでなく、誰でも、最高のカメラが提供できるよりも高い解像度で、そして生き物がいなくなった後でも、生命を見ることができます。 肉眼で見えるものだけでなく、すべての種を見るために視野を広げることができます。

MinIONの価格は$ 1,000で、キャンディーバーのサイズです。 ラップトップコンピュータのUSBポートに接続します。 DNAサンプルを読み取らせるには、マイクロピペットを使用して、MinIONのミリメートルサイズの開口部から「DNAライブラリ」(1分でさらに詳しく)を滴下します。 デバイスの内部には、ナノポア、幅10億分の1メートルを超えるコーンが膜に配置されています。 安定したイオン電流がこれらのナノ細孔を流れます。 各ヌクレオチド(A、T、C、またはG)には固有の分子構造があるため、それぞれのヌクレオチドの形状は少し異なります。 細孔を通過する独特の形状は、特定の方法でイオン電流を遮断します。 壁の影を分析することで形状を推測できるのと同じように、ヌクレオチドがイオン電流に与える妨害からヌクレオチドの同一性を推測できます。 これは、デバイスがベースをコンピューターにストリーミングするビットに変換する方法です。

DNAと電流がナノポアをどのように流れるかを示す図。 (オックスフォードナノポア提供)

マイクロピペットのピクルスジュースをMinIONに直接入れることはまだできません。 シーケンスされるDNAライブラリを準備するには、いくつかの高度な手順が必要です。 まず、漬物ジュースの細胞を割って開き、そのDNAを精製する必要があります。 細胞はすべて異なっています—生物学のクラスから、哺乳類の細胞膜とは異なり、植物の細胞壁は細菌の細胞壁とは異なって見え、細胞の種類ごとに独自の方法が必要であることを思い起こすかもしれません。 次に、MinIONが実際に読み取れるように、精製されたDNAを準備する必要があります。 DNAライブラリを作成するこれらの手順では、マイクロ遠心機やサーモサイクラーなど、まだ専門家ではないユーザーフレンドリーでないマシンが必要です(Democratizing DNA Fingerprintingでは、このライブラリーの準備とDNAシーケンスを屋上で実行しているのを見ることができます)ニューヨーク市)。 しかし、将来的には、これらのステップは単一のポータブルミニチュアデバイスでも行われるようになります。

これはフィールドを開きます。 人々はキッチンでMinIONを使用して、既製のラザニアの内容を確認したり(本当に牛肉が含まれているのか、それとも馬肉なのか)、病原体やアレルゲンの監視に使用したりできます。 オックスフォードナノポアは、SmidgIONでさらに一歩先を行くことを計画しています:携帯電話に接続できるDNAシーケンサー。

しかし、私たちはまだ、このテクノロジーを使って人々が何をするかを知り始めたばかりです。 科学者たちは、MinIONの携帯性を利用して、アンタルティカのマクマードドライバレーなどの遠隔地の生物多様性を監視しています。 NASAはこのデバイスを使用して宇宙飛行士の宇宙での健康状態を監視しており、最終的にそれを使用して地球外の生命を視覚化することができます。 ケニアの当局は、肉が違法な密猟によるものかどうかすぐに確認するかもしれません。

ニューヨークゲノムセンターにある私たちの研究室では、犯罪現場でMinIONを使用する方法を開発しました。 数分で結果を出すことができる携帯型シーケンサーは、被害者や容疑者を特定することから捜査官に有利なスタートを切ることができると考えました。 従来の法医学的手法には数日から数週間かかる場合があります。 それは、犯罪現場から設備の整った研究所にサンプルを輸送する必要があるためです。そこでは、証拠が高価なマシンで実行される前にキューに入れられます。

ナノポアシーケンスセンサーは、ゲノミクス分野への追加であり、市場のリーダーであるイルミナによって生成されたものなど、より伝統的なシーケンスプラットフォームに取って代わるとは考えられません。 これらのDNAシーケンスプラットフォームは非常に正確であり、ゲノム全体を(数回)読み取るために不可欠です。これは、たとえば、人々のどの遺伝的変異が病気につながるかを判断するために必要です。

その種の仕事は現在ミニオンの強みではありません。 エラー率は約5%です。つまり、20ヌクレオチドごとに1つの読み取りエラーがあります。 2人の個人間の差が0.1%(1,000ヌクレオチドごとに1つの変動)であることを考えると、それは高いことです。 しかし、MinIONからの読み取り値は、犯罪シーン分析のために開発したアルゴリズムにフィードするのに十分です。 このアルゴリズムは、犯罪現場で見つかった髪やその他の素材が、特別な警察データベースの個人と一致する確率を計算します。

エラー率が高くてもこれが機能する理由を理解するために、「Voldamord」という名前を付けて、私がどの本を参照しているのか教えてほしいと頼んだとします。 私があなたに与えている言葉にタイプミスがあったとしても、あなたが読んで形成されたデータベースがあなたの頭の中にあるので、あなたはそれがハリー・ポッターの本だと認識するかもしれません。 300ページの本全体をもう一度読んだり、「Voldemort」を正確に提示したりする必要はありません。 ゲノミクスは同じ原理で機能します。 有用なデータベースを入手したら、漬物サンプルに存在する細菌種、またはDNAの由来者を特定するために、情報を提供するDNAフラグメントのみが必要です。

ユビキタスDNAシーケンスの時代が近づいている今、遺伝的リテラシーを向上させる必要があります。 このゲノムの「ビッグデータ」をどのように処理しますか? このような問題に対処するため、ヤニブエルリッヒと私は、2015年にコロンビア大学のコンピューターサイエンス学部でユビキタスゲノミクスというクラスを開始しました。この最先端のテクノロジーについて学生に教え、その可能性を体験してもらいました。 生徒たちは自分の手でDNAの配列を決定し、データを分析するための計算手法の開発を奨励されました。 「統合学習」におけるこの取り組みの成功は、私たちがゲノミクスとデータ分析に小学生を従事させるために同様のことをすることができると考えるように私たちを励ました。 その目的でPlayDNAを設立しました。

MinIONで使用されているマイクロピペットの拡大図。 (オックスフォードナノポア提供)

最初のPlayDNAパイロットクラスの開始の前日、私は昼食からいくつかの材料を分け、後で生徒が特定しなければならない謎のDNAサンプルになりました。 PlayDNAは、教室でDNAの抽出やDNAライブラリの準備について心配する必要がないインフラストラクチャを提供するため、学生はすぐにDNAのシーケンスを開始し、データを解釈することができます。 マイクロピペットのトレーニングをほんの数時間受けた12歳の20人の学生は、教室に到着してから2時間前にDNAのシーケンスを行っていました。 生体情報をビッグデータにリアルタイムで変換することで、被験者は活気づきます。 生徒たちは、自分たちが見ているDNAの読み取りにどの種が含まれているかを知りたがっていました。 翌週の割り当ては、データを分析し、昼食の材料と比率を特定することでした。 案の定、翌週、あるグループが尋ねました。「ソフィー、あなたは昼食にトマトサラダと羊肉を食べましたか?」

技術はあなたの台所のカウンターの準備ができていますか? しばらくスペースを空けるのを控えていました。 細胞を破壊してDNAを精製するなど、シーケンス前のステップを処理するには、いくつかのノウハウが必要です。 しかし、オックスフォードナノポアは、これらのステップを自動化する方法にも取り組んでいます。 最終的に、子供がSmidgIONを使用して新しいバージョンのポケモンゴーを公園で実際の種で遊ぶ家族を予測できます。一方、ママはパパに「ダーリン、あなたはテーブルをセットし、ラザニアを並べましたか?」と尋ねました。

Sophie Zaaijerは、ニューヨークゲノムセンターの博士研究員であり、PlayDNAのCEOです。PlayDNAは、中学校、高校、大学教育向けのゲノムデータクラスを開発しています。