Da ste pre dvadesetak godina rekli biologu da ćete čitati DNK uređajem od 130 grama, verovatno bi pitao u kom delu „Zvezdanih staza“ se pojavljuje.
Danas se MinION Mk1D priključuje na laptop preko USB-C kabla i analizira DNK ili RNK gotovo bilo gde. Ovaj prenosivi DNK sekvencer nije namenjen kućnom testu radoznalosti, ali jeste pravi istraživački instrument. I to veoma neobičan.
Sekvenciranje znači određivanje redosleda baza u molekulu DNK ili RNK. Taj niz slova naučnicima može da pomogne da identifikuju mikroorganizam, prouče mutacije, analiziraju ekosistem ili prate promene u genomu.
Važno je da to ne pomešamo sa genetskom terapijom, koja pokušava da menja ili nadoknadi genetski materijal. MinION čita; ne uzima molekularnu gumicu i ne prepravlja gene.
Nanopora je senzor veličine molekula
U srcu sistema nalazi se nanopora, sićušni proteinski kanal smešten u membranu. Kroz poru protiče jonska struja. Poseban motorni protein kontroliše prolazak lanca DNK ili RNK, a različite kombinacije baza menjaju električni signal na prepoznatljiv način.
Uređaj beleži promene struje, dok softver kroz postupak koji se zove basecalling procenjuje koji im niz baza odgovara.
Pojednostavljeno: molekul prolazi kroz mikroskopski otvor, struja „zatreperi“, a računar taj ritam prevodi u genetski tekst. Oxford Nanopore detaljnije objašnjava postupak, uključujući direktno čitanje prirodne DNK i RNK bez obaveznog pretvaranja RNK u DNK.
Šta je novo kod modela Mk1D?
MinION postoji u različitim generacijama, a Mk1D je aktuelna kompaktna verzija sa USB-C priključkom, statusnim LED svetlima i poboljšanom kontrolom temperature.
Prema zvaničnim specifikacijama, uređaj meri 125 × 55 × 13 milimetara i teži 130 grama. Radi pri temperaturi okruženja od 10 do 35 °C, dok Peltierov element održava odgovarajuće uslove u protočnoj ćeliji.
Proizvođač navodi čitanja od veoma kratkih fragmenata od oko 20 parova baza do ultra-dugih molekula dužih od četiri miliona baza. Podaci stižu u realnom vremenu, pa istraživač ne mora da čeka da se završi čitava serija pre nego što vidi prve rezultate.
U trenutku pisanja, sam uređaj sa jednogodišnjom podrškom košta od 3.150 dolara, dok paket od 5.150 dolara uključuje pet protočnih ćelija i reagense.
To jeste mnogo više od cene prosečnog gedžeta, ali je izuzetno malo u poređenju sa klasičnim sekvencerima i laboratorijskom infrastrukturom koju su ranije zahtevali slični poslovi.
Protočna ćelija je prava zvezda predstave
MinION je čitač, ali se nanopore nalaze u zamenljivoj protočnoj ćeliji. Uzorak mora pravilno da se prikupi, prečisti i pripremi pomoću odgovarajućeg kompleta reagensa. Zatim se veoma mala količina pripremljenog materijala pipetom nanese u ćeliju.
To znači da prenosivi DNK sekvencer nije biološki fotoaparat. Ne možete ubaciti list, pritisnuti dugme i posle tri sekunde dobiti naziv biljke sa emotikonom.
Potrebni su laboratorijska tehnika, kontrolni uzorci, pažljivo sprečavanje kontaminacije i bioinformatička analiza. Mali je uređaj, ali znanje koje zahteva i dalje je sasvim odrasle veličine.
Od bakterije do čitavog ekosistema
MinION Mk1D je posebno pogodan za bakterijske genome, virusne amplikone, ciljano sekvenciranje, analizu transkriptoma i metagenomiku.
Metagenomika omogućava da se iz jednog uzorka prouči mešavina genetskog materijala mnogih organizama. Uzorak vode ili zemljišta tako može da otkrije čitavu mikrobnu zajednicu, a ne samo jednu unapred izabranu vrstu.
Prenosivost menja mesto na kojem nastaju podaci. Uzorci ne moraju uvek da putuju do velikog centra pre početka analize. Sekvenciranje može da se približi terenu, što je korisno za ekologiju, mikrobiologiju, poljoprivredu i istraživanje epidemija.
U jednom od predstavljenih projekata sa modelom Mk1D, uređaj je korišćen za proučavanje mikrobioma zemljišta na Aljasci, daleko od tipične laboratorije.
Takvi uređaji lepo pokazuju kako se neka od najvažnijih naučnih dostignuća našeg veka pretvaraju u praktične alate. Tehnika koja je nekada zahtevala specijalizovanu prostoriju sada može da putuje u rancu sa laptopom, pipetama i dovoljno produžnih kablova – jer ni budućnost ne može bez produžnog kabla.
Laptop radi veliki deo posla
MinION nema ekran ni kompletan računar u sebi. MinKNOW softver upravlja uređajem, prikuplja signal i prati kvalitet rada, dok proces basecallinga može ozbiljno da optereti računar.
Aktuelni zahtevi za Mk1D navode najmanje 16 GB memorije za standardne računare, odnosno 24 GB objedinjene memorije kod Apple sistema. Za brzu obradu i zahtevnije modele preporučuju se znatno snažniji procesor, GPU i veliki SSD.
Sekvenciranje proizvodi mnogo podataka. Pored samog uređaja, zato treba računati na skladištenje, rezervne kopije i obradu rezultata. „Staje na dlan“ odnosi se na sekvencer, ne nužno na čitav radni tok.
Nije kućni medicinski dijagnostičar
MinION Mk1D prodaje se za istraživačku upotrebu. Rezultat genetske analize zavisi od kvaliteta uzorka, pripreme, izabranog protokola, softvera i stručne interpretacije.
Uređaj sam ne postavlja medicinsku dijagnozu, niti sirov niz baza treba tumačiti kao gotov zdravstveni odgovor.
Genetski podaci nose i ozbiljna pitanja privatnosti. Genom nije lozinka koju možemo jednostavno da promenimo posle curenja podataka. Zato projekat mora da ima jasna pravila za pristanak, čuvanje, deljenje i brisanje informacija. Tehnološka moć bez dobrog protokola brzo postaje vrlo skupa glavobolja.
Gedžet koji menja značenje reči „laboratorija“
MinION Mk1D je možda najčistiji primer naučno orijentisanog gedžeta: mali je, elegantan i priključuje se na laptop, ali njegov posao zadire pravo u molekularnu biologiju.
Ne čini sekvenciranje trivijalnim, ali ga čini pokretnijim, bržim i dostupnijim manjim laboratorijama i terenskim timovima.
Najzanimljivije nije samo to što prenosivi DNK sekvencer može da stane u džep jakne. Zanimljivo je što DNK, osnovni zapis živog sveta, više ne mora uvek da čeka veliku mašinu u udaljenoj zgradi.
Laboratorija polako uči da putuje.
