Il gadget che rende il sequenziamento del DNA un gioco da ragazzi

Il MinION apre la biotecnologia alle masse come il PC ha democratizzato l'informatica. Cosa faremo con questo nuovo potere?

The MinION (per gentile concessione di Oxford Nanopore)

È un martedì pomeriggio e Poppy, una ragazza di 12 anni a New York City, è in piedi di fronte alla sua classe e spiega ai suoi coetanei come si può leggere il codice della vita passando un filamento di DNA attraverso qualcosa chiamato nanoporo . Come parte di PlayDNA, un programma che ho co-fondato, gli studenti hanno decapato i cetrioli per la scorsa settimana. Hanno misurato il pH del liquido nei vasetti di sottaceti e hanno visto dalla crescente nuvolosità che il numero delle cellule batteriche stava raddoppiando. E a differenza delle generazioni di classi di scienze precedenti, hanno prelevato campioni dai barattoli per identificare le specie batteriche dal loro DNA.

Ora è il momento di rivelare la vita invisibile nei loro vasetti di sottaceti. Gli studenti si radunano attorno al tavolo e, insieme al loro insegnante, inseriscono un vero campione di DNA batterico in un minuscolo sequencer di DNA, che si collega semplicemente alla porta USB di un computer. Pochi minuti dopo le prime letture del DNA appaiono in tempo reale sul loro schermo.

Questo è possibile nelle scuole medie grazie al sequencer di DNA in miniatura, chiamato MinION, realizzato da Oxford Nanopore Technologies. Uso questo dispositivo da quasi due anni presso il New York Genome Center, dove cerco come utilizzarlo per l'identificazione dei campioni di DNA. Il mio consulente, Yaniv Erlich, e io siamo stati i primi a implementarlo in un'aula della Columbia University, e ora fa parte del nostro programma PlayDNA nelle scuole locali. Sono convinto che rappresenti una pietra miliare nella tecnologia. Il sequenziamento del DNA portatile consente a chiunque, non solo agli scienziati, di vedere la vita a una risoluzione più elevata di quella che la più fantasiosa fotocamera è in grado di fornire - e anche dopo che una creatura è sparita. Possiamo ampliare la nostra visione per vedere tutte le specie, non solo quelle che sono visibili ad occhio nudo.

Il MinION costa $ 1.000 ed ha le dimensioni di una barretta di cioccolato. Si collega alla porta USB di un computer portatile. Per farlo leggere un campione di DNA, usa una micropipetta per rilasciare una "libreria di DNA" (ne parleremo tra un minuto) attraverso un'apertura di dimensioni millimetriche sul MinION. All'interno del dispositivo sono presenti nanopori, coni larghi poco più di un miliardesimo di metro, posti in una membrana. Una corrente di ioni costante scorre attraverso questi nanopori. Poiché ogni nucleotide (A, T, C o G) ha una composizione molecolare unica, ognuno ha una forma leggermente diversa. La forma unica che passa attraverso il poro interrompe la corrente ionica in un modo specifico. Proprio come possiamo dedurre una forma analizzando la sua ombra su una parete, possiamo inferire l'identità di un nucleotide dai disturbi che provoca alla corrente ionica. Questo è il modo in cui il dispositivo converte le basi in bit che fluiscono in un computer.

Un'illustrazione di come il DNA e un flusso di corrente attraverso un nanoporo. (Per gentile concessione di Oxford Nanopore)

Non siamo ancora in grado di micropipette direttamente il sottaceto nel MinION. Sono necessari alcuni passaggi avanzati per preparare la libreria di DNA sequenziata. Per prima cosa devi aprire le cellule nel succo di sottaceto e purificare il loro DNA. Le cellule sono tutte diverse - potresti ricordare dalla classe di biologia che le pareti cellulari delle piante sembrano diverse dalle pareti cellulari batteriche, che sono diverse dalle membrane delle cellule dei mammiferi - e ogni tipo di cellula richiede il proprio metodo. Quindi, il DNA purificato deve essere preparato in modo tale che Minion possa effettivamente leggerlo. Questi passaggi per creare la biblioteca del DNA richiedono macchine che non sono ancora facili da usare per un non specialista, tra cui una micro-centrifuga e un termociclatore (a Democratizing DNA Fingerprinting puoi vedermi mentre eseguo questa preparazione della biblioteca e il sequenziamento del DNA su un tetto in New York City). Ma in futuro questi passaggi verranno eseguiti anche in un singolo dispositivo portatile in miniatura.

Questo aprirà il campo. Le persone saranno in grado di utilizzare il MinION nelle loro cucine per verificare il contenuto delle loro lasagne già pronte (contiene davvero carne di manzo o quella carne di cavallo?) O usarlo per la sorveglianza di agenti patogeni e allergeni. Oxford Nanopore ha anche in programma di fare un ulteriore passo avanti con SmidgION: un sequencer del DNA che puoi collegare al tuo telefono.

Ma stiamo ancora iniziando a vedere cosa faranno le persone con questa tecnologia. Gli scienziati hanno approfittato della portabilità del MinION per monitorare la biodiversità in aree remote come le valli secche McMurdo di Antartica. La NASA sta usando il dispositivo per monitorare lo stato di salute degli astronauti nello spazio e potrebbe eventualmente utilizzarlo per visualizzare la vita extraterrestre. Le autorità del Kenya potrebbero presto verificare immediatamente se la carne proviene dal bracconaggio illegale.

Nel nostro laboratorio al New York Genome Center abbiamo sviluppato un metodo per utilizzare il MinION nelle scene del crimine. Abbiamo pensato che un sequencer portatile, in grado di fornire risultati in pochi minuti, potesse dare agli investigatori un vantaggio sull'identificazione di vittime o sospetti. I metodi forensi tradizionali possono richiedere giorni, a volte settimane. Questo perché qualcuno deve trasportare i campioni dalle scene del crimine a laboratori ben attrezzati, dove le prove si trovano in una coda prima di essere eseguite attraverso macchine costose.

I sensori di sequenziamento dei nanopori sono un'aggiunta al campo della genomica e difficilmente sostituiranno le piattaforme di sequenziamento più tradizionali, come quelle prodotte dal leader del mercato, Illumina. Quelle piattaforme di sequenziamento del DNA sono estremamente accurate, rendendole indispensabili per leggere un intero genoma (un paio di volte), che è ciò che è necessario, per dire, determinare quali variazioni genetiche nelle persone portano a malattie.

Questo tipo di lavoro non è attualmente il punto di forza del MinION. Ha un tasso di errore di circa il 5 percento, il che significa che c'è un errore di lettura ogni 20 nucleotidi. Questo è alto considerando che la differenza tra due individui è dello 0,1 percento (una variazione ogni 1.000 nucleotidi). Ma la lettura del MinION è ancora abbastanza buona da alimentare l'algoritmo che abbiamo sviluppato per l'analisi della scena del crimine. Questo algoritmo calcola la probabilità che capelli o altro materiale trovato sulla scena del crimine corrisponda a un individuo in un database speciale della polizia.

Per capire perché questo funziona anche con l'elevato tasso di errore, immagina di darti il ​​nome "Voldamord" e chiederti di dirmi a quale libro mi riferisco. Potresti riconoscere che è un libro di Harry Potter perché hai un database nella tua testa che è stato formato attraverso la lettura, anche se ci sono errori di battitura nella parola che ti sto dando. Non è necessario rileggere l'intero libro di 300 pagine o presentare "Voldemort" presentato esattamente nel modo giusto. La genomica funziona secondo lo stesso principio. Una volta che hai un database utile, hai solo bisogno di alcuni frammenti di DNA informativo per identificare quali specie batteriche sono presenti nei campioni di sottaceti o talvolta anche da quale persona proviene il DNA.

Ora che l'era dell'onnipresente sequenziamento del DNA si sta avvicinando, dobbiamo migliorare l'alfabetizzazione genetica. Come gestiamo questi "big data" genomici? Per rispondere a tali domande, Yaniv Erlich e io abbiamo iniziato una lezione chiamata Ubiquitous Genomics nel dipartimento di informatica della Columbia University nel 2015. Abbiamo insegnato agli studenti questa tecnologia all'avanguardia e abbiamo fatto loro sperimentare il potenziale. Gli studenti hanno sequenziato il DNA con le proprie mani e sono stati incoraggiati a sviluppare metodi computazionali per analizzare i loro dati. Il successo di questo sforzo nell '"apprendimento integrativo" ci ha incoraggiato a pensare che potremmo fare qualcosa di simile per coinvolgere gli scolari nella genomica e nell'analisi dei dati. Abbiamo fondato PlayDNA con questo obiettivo.

Un primo piano della micropipetta utilizzata con MinION. (Per gentile concessione di Oxford Nanopore)

Il giorno prima dell'inizio della prima lezione pilota di PlayDNA, ho messo da parte un paio di ingredienti del mio pranzo che sarebbero poi finiti in un campione misterioso di DNA che gli studenti dovevano identificare. PlayDNA fornisce l'infrastruttura per le classi per non doversi preoccupare di estrarre il DNA e preparare le librerie del DNA, così gli studenti possono iniziare subito a sequenziare il DNA e interpretare i loro dati. Venti studenti di 12 anni, che hanno ricevuto solo un paio d'ore di formazione sulla micropipetta, stavano sequenziando il DNA non due ore dopo l'arrivo in classe. La conversione in tempo reale delle informazioni biologiche in big data ravviva l'argomento; gli studenti erano ansiosi di sapere quali specie potevano essere individuate nelle letture del DNA che stavano vedendo. Il loro compito per la settimana successiva era di analizzare i dati e identificare gli ingredienti e i loro rapporti del mio pranzo. Abbastanza sicuro, la settimana seguente un gruppo chiese: "Sophie, hai mangiato un'insalata di pomodori e un po 'di carne di pecora a pranzo?"

La tecnologia è pronta per il tuo bancone della cucina? Mi trattengo dal fare spazio per un po '. Ci vuole ancora del know-how per gestire i passaggi prima del sequenziamento, come rompere le cellule e purificare il DNA. Oxford Nanopore sta lavorando anche su modi per automatizzare anche questi passaggi. Alla fine, posso prevedere una famiglia in cui i bambini usano uno SmidgION per giocare una nuova versione di Pokemon Go nel parco con specie reali, mentre la mamma chiede a papà: "Tesoro, hai apparecchiato la tavola e hai sequenziato le lasagne?"

Sophie Zaaijer è un borsista post-dottorato presso il New York Genome Center e CEO di PlayDNA, che sta sviluppando classi di dati genomici per scuole medie, superiori e istruzione universitaria.