O gadget que faz o sequenciamento de DNA de brincadeiras de crianças

O MinION racha a biotecnologia aberta às massas, da mesma forma que o PC democratizou a computação. O que faremos com esse novo poder?

The MinION (Cortesia de Oxford Nanopore)

É uma tarde de terça-feira e Poppy, uma menina de 12 anos de idade na cidade de Nova York, fica na frente de sua classe e explica aos colegas como o código da vida pode ser lido passando uma fita de DNA através de algo chamado nanoporo . Como parte do PlayDNA, um programa que eu co-fundei, os estudantes vêm colhendo pepinos na semana passada. Eles mediram o pH do líquido nos frascos de picles e viram pela crescente nebulosidade que o número de células bacterianas estava dobrando. E, ao contrário de gerações de aulas de ciências anteriores, eles coletaram amostras dos frascos para identificar as espécies bacterianas por seu DNA.

Agora é hora de revelar a vida invisível em seus frascos de picles. Os alunos se reúnem ao redor da mesa e, junto com o professor, colocam uma amostra de DNA bacteriana real em um minúsculo seqüenciador de DNA, que simplesmente se conecta à porta USB do computador. Minutos depois, as primeiras leituras de DNA aparecem em tempo real na tela.

Isso é possível no ensino médio por causa do sequenciador de DNA em miniatura, chamado MinION, fabricado pela Oxford Nanopore Technologies. Uso esse dispositivo há quase dois anos no New York Genome Center, onde pesquiso como usá-lo para re-identificação de amostras de DNA. Meu orientador, Yaniv Erlich, e eu fomos os primeiros a implementá-lo em uma sala de aula da Universidade de Columbia, e agora faz parte do nosso programa PlayDNA nas escolas locais. Estou convencido de que isso representa um marco na tecnologia. O sequenciamento portátil de DNA capacita qualquer pessoa, não apenas os cientistas, a ver a vida em uma resolução mais alta do que a câmera mais sofisticada pode oferecer - e mesmo depois que uma criatura se foi. Podemos ampliar nossa visão para ver todas as espécies, não apenas as que são visíveis a olho nu.

O MinION custa US $ 1.000 e é do tamanho de uma barra de chocolate. Ele se conecta à porta USB de um computador laptop. Para que ele leia uma amostra de DNA, use uma micropipeta para soltar uma "biblioteca de DNA" (mais sobre isso em um minuto) através de uma abertura do MinION do tamanho de um milímetro. Dentro do dispositivo existem nanoporos, cones com mais de um bilionésimo de metro de largura, colocados em uma membrana. Uma corrente de íons constante flui através desses nanoporos. Uma vez que cada nucleotídeo (A, T, C ou G) possui uma composição molecular única, cada um tem uma forma um pouco diferente. A forma única que passa pelo poro interrompe a corrente de íons de uma maneira específica. Assim como podemos inferir uma forma analisando sua sombra em uma parede, podemos inferir a identidade de um nucleotídeo dos distúrbios que ele causa à corrente de íons. É assim que o dispositivo converte bases em bits que fluem em um computador.

Uma ilustração de como o DNA e a corrente fluem através de um nanoporo. (Cortesia de Oxford Nanopore)

Ainda não conseguimos micropipetar diretamente o suco de picles no MinION. Algumas etapas avançadas são necessárias para preparar a biblioteca de DNA que é sequenciada. Primeiro você tem que abrir as células do suco de picles e purificar o DNA delas. As células são todas diferentes - você deve se lembrar da aula de biologia que as paredes celulares das plantas se parecem com as paredes celulares bacterianas, que são diferentes das membranas das células de mamíferos - e cada tipo de célula requer seu próprio método. Então, o DNA purificado precisa ser preparado de forma que o MinION possa realmente lê-lo. Essas etapas para criar a biblioteca de DNA exigem máquinas que ainda não sejam fáceis de usar para um não especialista, incluindo uma microcentrífuga e termocicladora (em Democratizing DNA Fingerprinting, você pode me ver realizando a preparação da biblioteca e o sequenciamento de DNA no telhado em Cidade de Nova York). Porém, no futuro, essas etapas também serão executadas em um único dispositivo miniatura portátil.

Isso abrirá o campo. As pessoas poderão usar o MinION em suas cozinhas para verificar o conteúdo de sua lasanha pronta (ela realmente contém carne bovina ou é carne de cavalo?) Ou usá-lo para a vigilância de patógenos e alérgenos. A Oxford Nanopore está planejando dar um passo adiante com o SmidgION: um seqüenciador de DNA que você pode conectar ao seu telefone.

Mas ainda estamos apenas começando a ver o que as pessoas farão com essa tecnologia. Os cientistas aproveitaram a portabilidade do MinION para monitorar a biodiversidade em áreas remotas, como os vales secos McMurdo da Antartica. A NASA está usando o dispositivo para monitorar o estado de saúde dos astronautas no espaço e pode eventualmente usá-lo para visualizar a vida extraterrestre. As autoridades do Quênia poderão em breve verificar instantaneamente se a carne provém da caça ilegal.

Em nosso laboratório no New York Genome Center, desenvolvemos um método para usar o MinION nas cenas de crime. Concluímos que um seqüenciador portátil, que pode fornecer resultados em minutos, poderia dar aos investigadores uma vantagem na identificação de vítimas ou suspeitos. Os métodos forenses tradicionais podem levar dias, às vezes semanas. Isso ocorre porque alguém precisa transportar as amostras das cenas do crime para laboratórios bem equipados, onde as evidências ficam em uma fila antes de serem executadas em máquinas caras.

Os sensores de seqüenciamento Nanopore são uma adição ao campo da genômica e dificilmente substituirão as plataformas de sequenciamento mais tradicionais, como as produzidas pela líder de mercado Illumina. Essas plataformas de sequenciamento de DNA são extremamente precisas, tornando-as indispensáveis ​​para a leitura de um genoma inteiro (algumas vezes), o que é necessário para, por exemplo, determinar quais variações genéticas nas pessoas levam a doenças.

Atualmente, esse tipo de trabalho não é a força do MinION. Tem uma taxa de erro de aproximadamente 5%, o que significa que há um erro de leitura a cada 20 nucleotídeos. Isso é alto, considerando que a diferença entre dois indivíduos é de 0,1% (uma variação a cada 1.000 nucleotídeos). Mas a leitura do MinION ainda é boa o suficiente para alimentar o algoritmo que desenvolvemos para a análise da cena do crime. Esse algoritmo calcula a probabilidade de cabelo ou algum outro material encontrado na cena do crime corresponder a um indivíduo em um banco de dados policial especial.

Para entender por que isso funciona mesmo com a alta taxa de erros, imagine que eu lhe dê o nome “Voldamord” e peça que você me diga a que livro estou me referindo. Você pode reconhecer que é um livro de Harry Potter, porque você tem em sua cabeça um banco de dados formado através da leitura, mesmo que haja erros de digitação na palavra que estou lhe dando. Você não precisa reler o livro inteiro de 300 páginas ou obter o "Voldemort" apresentado exatamente correto. A genômica trabalha segundo o mesmo princípio. Depois de ter um banco de dados útil, você precisa apenas de alguns fragmentos informativos de DNA para identificar quais espécies bacterianas estão presentes nas amostras de picles ou, às vezes, até de qual pessoa o DNA veio.

Agora que a era do sequenciamento de DNA onipresente está se aproximando, precisamos melhorar a alfabetização genética. Como lidamos com esse "big data" genômico? Para resolver essas questões, Yaniv Erlich e eu iniciamos uma aula chamada Ubiquitous Genomics no departamento de ciência da computação da Universidade de Columbia em 2015. Ensinamos os alunos sobre essa tecnologia de ponta e fizemos com que eles experimentassem o potencial. Os alunos sequenciaram o DNA com as próprias mãos e foram incentivados a desenvolver métodos computacionais para analisar seus dados. O sucesso desse esforço no “aprendizado integrativo” nos encorajou a pensar que poderíamos fazer algo semelhante para envolver os alunos em genômica e análise de dados. Fundamos o PlayDNA com esse objetivo.

Um close da micropipeta usada com MinION. (Cortesia de Oxford Nanopore)

Na véspera do início da primeira aula piloto do PlayDNA, separei alguns ingredientes do meu almoço que mais tarde terminariam em uma amostra misteriosa de DNA que os alunos tinham que identificar. O PlayDNA fornece a infraestrutura para as salas de aula não precisarem se preocupar em extrair DNA e preparar as bibliotecas de DNA, para que os alunos possam começar a sequenciar o DNA imediatamente e interpretar seus dados. Vinte estudantes de 12 anos, que receberam apenas algumas horas de treinamento em micropipetas, sequenciaram o DNA não duas horas depois de chegarem à sala de aula. A conversão em tempo real de informações biológicas em big data anima o sujeito; os estudantes estavam ansiosos para saber quais espécies poderiam ser encontradas nas leituras de DNA que estavam vendo. A tarefa deles para a semana seguinte foi analisar os dados e identificar os ingredientes e as proporções do meu almoço. Com certeza, na semana seguinte, um grupo perguntou: "Sophie, você comeu uma salada de tomate e um pouco de carne de ovelha no almoço?"

A tecnologia está pronta para o seu balcão da cozinha? Eu esperaria em abrir espaço por um tempo. Ainda é preciso algum conhecimento para lidar com as etapas anteriores ao seqüenciamento, como abrir as células e purificar o DNA. A Oxford Nanopore também está trabalhando em maneiras de automatizar essas etapas. Eventualmente, eu posso prever uma família onde as crianças estão usando um SmidgION para jogar uma nova versão do Pokemon Go no parque com espécies reais, enquanto a mãe pergunta ao pai: "Querida, você arrumou a mesa e sequenciou a lasanha?"

Sophie Zaaijer é pós-doutora no New York Genome Center e CEO da PlayDNA, que desenvolve classes de dados genômicos para escolas de ensino médio, médio e superior.