El gadget que realitza el seqüenciament de DNA és un joc infantil

Les esquerdes de MinION obren la biotecnologia a les masses de la manera en què el PC va democratitzar la informàtica. Què farem amb aquest poder nou?

The Minion (cortesia d'Oxford Nanopore)

I am a Dimarts vespre i Poppy, una jove de 12 anys a la ciutat de Nova York, es posa davant de la seva classe i explica als seus companys com es pot llegir el codi de vida passant una cadena d’ADN per una cosa que s’anomena nanopore. . Com a part de PlayDNA, un programa que vaig co-fundar, els estudiants han estat decapant cogombres durant la setmana passada. Han mesurat el pH del líquid en els pots de vinagre i han vist, creixent, que el nombre de cèl·lules bacterianes es duplicava. I a diferència de les generacions de classes de ciències anteriors, han pres mostres de les gerres per identificar les espècies bacterianes mitjançant el seu ADN.

Ara és hora de revelar la vida invisible en els seus pots. Els estudiants es reuneixen al voltant de la taula i, juntament amb el seu professor, posen una mostra d’ADN bacteriana real en un seqüenciador d’ADN minúscul, que es connecta simplement al port USB d’un ordinador. Minuts després, apareixen a la pantalla les primeres lectures d’ADN en temps real.

Això és possible en una escola mitjana a causa del seqüenciador d'ADN en miniatura, anomenat MinION, realitzat per Oxford Nanopore Technologies. He estat utilitzant aquest dispositiu durant gairebé dos anys al Centre del Genoma de Nova York, on investigo com utilitzar-lo per a la identificació de mostres d’ADN. El meu assessor, Yaniv Erlich, i jo vam ser els primers a implementar-lo a una aula de la Universitat de Columbia i ara forma part del nostre programa PlayDNA a les escoles locals. Estic convençut que representa una fita en tecnologia. La seqüenciació d'ADN portàtil permet a qualsevol persona, no només als científics, veure la vida a una resolució més alta que la càmera més fantàstica que pot proporcionar, i fins i tot després que una criatura desaparegui. Podem ampliar la nostra visió per veure totes les espècies, no només les visibles a simple vista.

El Minion costa 1.000 dòlars i és de la mida d’una barra de llaminadures. Es connecta al port USB d’un ordinador portàtil. Per fer que llegeixi una mostra d’ADN, utilitzeu una micropipeta per deixar caure una “biblioteca d’ADN” (més sobre això en un minut) a través d’una obertura de la mida mil·limètrica del MinION. A l’interior del dispositiu hi ha nanopores, cons poc més d’una mil·lèsima de metre d’amplada, col·locats en una membrana. Un corrent d’ions constant flueix a través d’aquestes nanopores. Com que cada nucleòtid (A, T, C o G) té un maquillatge molecular únic, cadascun té una forma diferent. La forma única que passa pel porus interromp el corrent iònic d’una forma específica. De la mateixa manera que podem inferir una forma analitzant la seva ombra en una paret, podem inferir la identitat d’un nucleòtid a partir de les pertorbacions que provoca el corrent d’ions. Així és com el dispositiu converteix les bases en bits que es transmeten en un equip.

Una il·lustració de com l’ADN i el corrent circulen a través d’un nanopor. (Cortesia d'Oxford Nanopore)

Encara no podem micropipettear directament el suc d’escabetx al Minion. Es necessiten alguns passos avançats per preparar la biblioteca d'ADN que seqüencia. Primer heu d’esquerdar obrir les cèl·lules del suc d’escabetx i purificar el seu ADN. Les cèl·lules són diferents - podeu recordar de la classe de biologia que les parets cel·lulars de les plantes semblen a diferència de les parets cel·lulars bacterianes, que a diferència de les membranes de les cèl·lules dels mamífers - i que cada tipus de cèl·lula requereix el seu propi mètode. Aleshores, l'ADN purificat s'ha de preparar de manera que el Minion pugui llegir-lo. Aquests passos per crear la biblioteca d’ADN requereixen màquines que encara no siguin fàcils d’utilitzar per a un no especialista, inclosa una micro-centrífuga i un termociclador (a Democratizing DNA Fingerprinting podeu veure’m la realització d’aquesta preparació i seqüenciació d’ADN en un terrat a Nova York). Però, en el futur, aquests passos es faran també en un sol dispositiu portàtil en miniatura.

Això obrirà el camp. Les persones podran utilitzar el MinION a les seves cuines per verificar el contingut de la seva lasanya preparada (conté veritablement carn de vedella o és aquesta de cavall?) O utilitzar-la per a la vigilància de patògens i al·lèrgens. Oxford Nanopore té fins i tot previst un pas més enllà amb SmidgION: un seqüenciador d’ADN al qual podeu connectar el telèfon.

Però només comencem a veure què farà la gent amb aquesta tecnologia. Els científics han aprofitat la portabilitat del MinION per supervisar la biodiversitat en zones remotes, com les valls seques de McMurdo d'Antartica. La NASA està utilitzant el dispositiu per controlar l'estat de salut dels astronautes a l'espai i, eventualment, podria utilitzar-lo per visualitzar la vida extraterrestre. Les autoritats de Kenya aviat podrien comprovar immediatament si la carn prové de caça furtiva il·legal.

Al nostre laboratori del centre genòtic de Nova York vam desenvolupar un mètode per utilitzar el minion en escenes de criminalitat. Vam pensar que un seqüenciador portàtil, que pot obtenir resultats en pocs minuts, podria donar als investigadors una oportunitat inicial per identificar víctimes o sospitosos. Els mètodes forenses tradicionals poden trigar dies, a vegades setmanes. Això es deu al fet que algú ha de transportar les mostres de les escenes del crim a laboratoris ben equipats, on les proves queden a la cua abans de ser utilitzats per equips cars.

Els sensors de seqüenciació de nanofores són una addició al camp de la genòmica i és poc probable que substitueixin les plataformes de seqüenciació més tradicionals, com les produïdes pel líder del mercat, Illumina. Les plataformes de seqüenciació d’ADN són extremadament precises, cosa que les fa imprescindibles per a la lectura d’un genoma sencer (un parell de vegades), cosa que cal, per exemple, determinar quines variacions genètiques en les persones condueixen a malalties.

Aquest tipus de treball no és actualment la força de Minion. Té un índex d’error aproximadament un 5 per cent, cosa que significa que hi ha un error de lectura cada 20 nucleòtids. Això és alt tenint en compte que la diferència entre dos individus és del 0,1 per cent (una variació cada 1.000 nucleòtids). Però la lectura del MinION és prou bona per alimentar l'algorisme que hem desenvolupat per a l'anàlisi de l'escena del crim. Aquest algorisme calcula la probabilitat que els cabells o algun altre material trobat en un lloc del crim coincideixin amb un individu en una base de dades especial de la policia.

Per entendre per què funciona fins i tot amb l’alta taxa d’error, imagineu-vos que us poso el nom de “Voldamord” i us demano que em digueu a quin llibre em refereixo. Potser reconeixeu que és un llibre de Harry Potter perquè teniu una base de dades al vostre cap que s’ha format a través de la lectura, tot i que hi ha greus de text en la paraula que us dic. No heu de tornar a llegir tot el llibre de 300 pàgines ni fer que “Voldemort” es presenti exactament. La genòmica funciona segons el mateix principi. Un cop tingueu una base de dades útil, només necessiteu alguns fragments informatius d’ADN per identificar quines espècies bacterianes hi són presents a les mostres d’escabetx o, de vegades, fins i tot de quina persona provenia l’ADN.

Ara que l’època de la seqüenciació omnipresent d’ADN s’acosta, hem de millorar l’alfabetització genètica. Com gestionem aquesta “big data” genòmica? Per respondre aquestes qüestions, Yaniv Erlich i jo vam iniciar una classe anomenada Ubiquitous Genomics al departament d’informàtica de la Universitat de Columbia el 2015. Vam ensenyar als estudiants sobre aquesta tecnologia d’avantguarda i els vam fer experimentar el potencial. Els estudiants van seqüenciar l'ADN amb les seves pròpies mans i se'ls va animar a desenvolupar mètodes computacionals per analitzar les seves dades. L’èxit d’aquest esforç en “l’aprenentatge integrador” ens va animar a pensar que podríem fer alguna cosa semblant per implicar els escolars en genòmica i anàlisi de dades. Amb aquest objectiu vam fundar PlayDNA.

Un primer pla de la micropipette utilitzada amb MinION. (Cortesia d'Oxford Nanopore)

El dia abans de l’inici de la primera classe pilot de PlayDNA, vaig apartar un parell d’ingredients del meu dinar que després acabarien en una mostra d’ADN de misteri que els estudiants havien d’identificar. PlayDNA proporciona la infraestructura perquè les aules no s’hagin de preocupar d’extreure ADN i preparar les biblioteques d’ADN, de manera que els estudiants poden començar a seqüenciar l’ADN de seguida i a interpretar les seves dades. Vint estudiants de 12 anys, que només van aconseguir un parell d’hores de formació en micropipetes, van seqüenciar l’ADN no dues hores després d’arribar a l’aula. La conversió en temps real d’informació biològica en big data anima el subjecte; els estudiants estaven ansiosos per saber quines espècies es podien veure en les lectures d’ADN que veien. La seva tasca per a la setmana següent va ser analitzar les dades i identificar els ingredients i les proporcions del meu dinar. La setmana següent, un grup va preguntar-li: "Sophie, has menjat una amanida de tomàquet i una mica de carn d'ovella per dinar?"

La tecnologia està preparada per al vostre mostrador de cuina? M'agradaria deixar espai durant una estona. Encara triguen alguns coneixements per gestionar els passos previs a la seqüenciació, com trencar les cèl·lules obertes i purificar l'ADN. Oxford Nanopore també treballa maneres d'automatitzar aquests passos. Al final, puc preveure una família on els nens utilitzin un SmidgION per jugar una nova versió de Pokémon Go al parc amb espècies reals, mentre que la mare pregunta a papà: “Cari, has muntat la taula i has seqüenciat la lasanya?”

Sophie Zaaijer és professora postdoctoral al Centre del Genoma de Nova York i consellera delegada de PlayDNA, que desenvolupa classes de dades genòmiques per a escoles mitjanes, instituts i educació universitària.