如何定序自己的DNA？他用超廉價成本在家完成

برادلي وولف، ذو الخلفية في المعلوماتية الحيوية، استخدم في منزله جهاز تسلسل Oxford Nanopore MinION بقيمة 7,500 دولار أمريكي، وأمضى شهرين في تجميع العملية بأكملها، ليُكمل تسلسل جينومه بالكامل من أخذ عينة من الفم، الاستخلاص، التشغيل على الجهاز، وصولاً إلى تفسير المواقع الطفرية، وأجرى التسلسل خمس مرات. وأشار في مقاله إلى أن هذا لا يزال بعيدًا عن مشروع الجينوم البشري الذي كلف 2.7 مليار دولار واستغرق 13 عامًا، وأن النتائج الأولى لم تصل بعد إلى مستوى التشخيص الذي يمكن استخدامه لاتخاذ قرارات طبية.
(ملخص سابق: ما هي العلوم اللامركزية DeSci؟ مبدأ العمل، مزايا وعيوب إدخال DAO، ترتيب المسارات الواعدة)
(إضافة خلفية: OpenAI تطلق نموذج علوم الحياة GPT-Rosalind: قدرات رئيسية في علم الجينوم، هندسة البروتينات، والكيمياء)

جدول المحتويات

Toggle

• حكومات ست دول أنفقت 13 عامًا
• عملية معقدة للغاية
• الجينوم بحد ذاته ليس "سحرًا"
• DNA هو المرجع الثابت، RNA هو أنت الآن

الملخص الرئيسي

• برادلي وولف ذو الخلفية في المعلوماتية الحيوية استخدم جهاز تسلسل Oxford Nanopore MinION بقيمة 7,500 دولار، وقام بتسلسل جينومه خمس مرات في منزله، من أخذ عينة الفم إلى تفسير المواقع الطفرية بنفسه.
• مقارنة بمشروع الجينوم البشري: 2.7 مليار دولار، 13 عامًا، وبمشاركة حكومات ست دول، أصبح الآن بإمكان شخص واحد تجميع الجهاز في شهرين وإعادة الإنجاز.
• وأكد أن الجينوم بحد ذاته ليس سحرًا، بل هو "طبقة مرجعية"، ولا يصبح ذا معنى إلا بالاستعلام عبر قواعد البيانات مثل VEP وClinVar وgnomAD، والنتائج الأولى أيضًا لم تصل إلى مستوى التشخيص، ولا يمكن استخدام التقرير لإجراء CRISPR.

أدخل المسحة في الفم، وافركها على الغشاء المخاطي داخل الخد لمدة ستين ثانية ذهابًا وإيابًا. ثم ألقِ المسحة في أنبوب طرد مركزي يحتوي على محلول فوسفات مبرد، وأرسله إلى جهاز طرد مركزي مستعمل بسرعة 2000 غرام. أزل المادة الطافية، وأضف كاشف التحلل والبروتيناز K، واتركه حتى تتفكك الهياكل الخلوية. يبدو هذا كخطوات تجربة في مختبر الأحياء في المدرسة الثانوية، ولكن نهاية هذه العملية هي نتيجة تسلسل جينوم بشري كامل. هذه النتيجة لم تصدر عن أي مختبر، بل نشرها برادلي وولف على مدونته، حيث أجرى التجربة خمس مرات في منزله.

حكومات ست دول أنفقت 13 عامًا

في عام 2003، اكتمل مشروع الجينوم البشري (Human Genome Project). كان مشروعًا دوليًا بتمويل مشترك من حكومات ست دول: الولايات المتحدة، بريطانيا، اليابان، فرنسا، ألمانيا، والصين. بدأ في عام 1990، واستمر لمدة 13 عامًا كاملة، بتكلفة إجمالية حوالي 2.7 مليار دولار، وشاركت فيه مراكز تسلسل وطنية وآلاف الباحثين.

برادلي وولف ليس لديه مختبر ولا تمويل حكومي. كل ما لديه هو جهاز تسلسل Oxford Nanopore MinION بحجم كف اليد وسعره 7,500 دولار، بالإضافة إلى كمبيوتر محمول لتشغيل برنامج MinKNOW، ووحدة معالجة رسوميات GPU لمعالجة بيانات التسلسل، وجهاز خلط دوامي، وقالب تسخين، وجهاز طرد مركزي مستعمل اشتراه من eBay. استغرق التجميع والضبط حوالي شهرين حتى تمكن من تشغيل النظام بالكامل لإنتاج نتائج عالية الجودة باستمرار.

ما أنجزته حكومات ست دول في 13 عامًا، يقول إنه فعله في المنزل خمس مرات، وهذه المقارنة أدهشت الجميع.

عملية معقدة للغاية

أخذ العينة هو مجرد البداية. بعد اكتمال تحلل الخلايا، استخدم برادلي وولف مجموعة استخلاص الحمض النووي عالي الوزن الجزيئي من NEB Monarch، مع الخرز المغناطيسي لاستخراج الحمض النووي من الشوائب البروتينية، ثم قاس التركيز باستخدام مقياس الفلورة Qubit لتحديد كمية الحمض النووي القابلة للتسلسل. تتطلب العملية القياسية إدخال 1000 نانوغرام من الحمض النووي، لكنه في إحدى المرات التدريبية لم يتمكن من جمع سوى 13.9 نانوغرام، واستمر في التقدم بشجاعة.

الخطوة التالية هي إصلاح نهايات الحمض النووي وربط وصلات التسلسل، باستخدام مجموعة ربط التسلسل SQK-LSK114 من ONT مع وحدة NEBNext Companion. قبل التشغيل، يجب فحص عدد المسام النشطة المتبقية في خلية التدفق (flow cell). المعيار الرسمي: أكثر من 1200 مسام يعتبر ممتازًا، 800-1200 قابل للاستخدام، 500-800 على الحافة، وأقل من 500 فلا داعي للتشغيل. بعد التأكد من عدد المسام النشطة، يُضاف العينة، ويُبدأ تشغيل MinKNOW، مع اختيار وضع الدقة العالية أو الدقة الفائقة، ويبدأ الجهاز في قراءة تسلسل الحمض النووي في الوقت الفعلي.

انتهاء التسلسل لا يعني النهاية. يجب أولاً معالجة الإشارات الأولية باستخدام Dorado لتفسير القواعد، لتحويلها إلى سلاسل من A، T، C، G، ثم استخدام minimap2 لمقارنة الأجزاء مع الجينوم المرجعي البشري GRCh38، لتحديد الاختلافات عن النسخة القياسية، وأخيراً استخدام Clair3 لتفسير المواقع الطفرية. العملية بأكملها، من أخذ العينة إلى التحليل، قام بها بمفرده في المنزل من البداية إلى النهاية.

• الجهاز الأساسي: جهاز تسلسل Oxford Nanopore MinION، 7,500 دولار
• المعدات المحيطة: كمبيوتر محمول لتشغيل MinKNOW، GPU لتفسير Dorado، جهاز خلط دوامي (50 دولارًا)، قالب تسخين (250 دولارًا)، جهاز طرد مركزي مستعمل (400 دولار)
• كواشف التسلسل لمرة واحدة: مجموعة استخلاص الحمض النووي NEB Monarch، وحدة NEBNext Companion، مجموعة SQK-LSK114 من ONT، مقياس الفلورة Qubit، خرز AMPure XP المغناطيسي

الجينوم بحد ذاته ليس "سحرًا"

يقول برادلي وولف: "الجينوم بحد ذاته ليس سحرًا، إنه طبقة مرجعية (reference layer)".

ما يخرجه جهاز التسلسل هو مجرد سلسلة ثابتة من الحروف، لا تخبرك بأي شيء بنفسها. الإجراء ذو المعنى الحقيقي يحدث بعد التسلسل، بإدخال هذه السلسلة في قواعد البيانات مثل Ensembl VEP وClinVar وgnomAD وPharmGKB للمقارنة والاستعلام، لمعرفة ما إذا كان موقع طفري معين مرتبطًا بمخاطر المرض، أو ما إذا كان جين معين يؤثر على سرعة استقلابك لدواء معين. لقد استخدم PharmGKB بنفسه لمعرفة الأدوية التي قد يكون رد فعله تجاهها مختلفًا عن الآخرين.

لكنه في الوقت نفسه رسم خطًا واضحًا. البيانات التي حصل عليها من أول تشغيل لـ MinION لم تصل إلى مستوى التشخيص، والمواقع الطفرية ذات التغطية غير العميقة لا يمكن اعتبارها حقيقية. وكتب بشكل أكثر مباشرة: هذا بالتأكيد ليس شيئًا من نوع "استخدام CRISPR لتحرير نفسه لأن الذكاء الاصطناعي قال شيئًا".

فهم حمضك النووي هو شيء، واتخاذ القرارات بناءً عليه هو شيء مختلف تمامًا.

إذا كان أمامك الآن تقرير كامل عن جينومك، هل تجرؤ على تعديل أدويتك بناءً على توصياته؟ أم ستتأكد أولاً من مدى مصداقية ذلك التقرير؟

DNA هو المرجع الثابت، RNA هو أنت الآن

طموح برادلي وولف لا يقتصر على إكمال التسلسل فقط. وجهة نظره هي أن DNA هو المرجع الثابت، بينما RNA هو الحالة اللحظية الحالية، وهما مع بيانات أجهزة الاستشعار البيولوجية الأخرى سيتم دمجها في النهاية في نموذج عن "أنت". ويتوقع أن تصبح هذه التكنولوجيا شائعة مثل الهواتف أو الذكاء الاصطناعي، حيث أن التكلفة تتناقص بشكل أسي، وفي يوم من الأيام سيتمكن أي شخص من رؤية تعبير DNA وRNA الخاص به في الوقت الفعلي.

بالعودة إلى عالم العملات المشفرة، هذا هو بالضبط ما تتحدث عنه "العلوم اللامركزية" DeSci (Decentralized Science) في السنوات الأخيرة: إعادة البحث العلمي وملكية البيانات ومعلومات الجينوم من المؤسسات إلى الأفراد. مشاريع مثل VitaDAO وBIO Protocol تعمل على لامركزية أبحاث التكنولوجيا الحيوية وتحويل التمويل والملكية الفكرية إلى رموز. ما يفعله برادلي وولف هو الخطوة الأساسية والأكثر بدائية على هذا المسار، حيث لا يسلم حتى فعل التسلسل للمؤسسات الطبية، بل يفعله في المنزل بنفسه.

أسئلة شائعة

هل جهاز التسلسل MinION هو نفسه الفحص الجيني الذي تجريه المستشفيات؟

لا. MinION هو جهاز تسلسل محمول من الدرجة البحثية، وقد أكد برادلي وولف نفسه أن النتائج الأولى لم تصل إلى مستوى التشخيص، وهو مختلف تمامًا عن الفحص الجيني الذي يُجرى في المستشفيات مع عمليات التحقق السريري، ولا يمكن استبدال كل منهما بالآخر.

هل تسلسل جينومك في المنزل قانوني؟ هل هو آمن؟

تسلسل الحمض النووي الخاص بك بحد ذاته ليس غير قانوني، ويمكن شراء الأجهزة والكواشف علنًا، ولكن تفسير البيانات يتطلب خبرة مهنية. إذا تم استخدام التقرير بطيش لتناول أدوية أو إجراء تحرير جيني، فإن المخاطر يتحملها المستخدم بالكامل.