如何定序自己的DNA？他用超廉價成本在家完成

Биоинформатик Брэдли Вульф на собственном доме с помощью секвенатора Oxford Nanopore MinION за 7 500 долларов за два месяца собрал полный процесс, от забора образца изо рта, экстракции, запуска до интерпретации вариантных участков, пройдя весь путь от начала до конца, и секвенировал свой геном пять раз. В своей статье он также предупреждает, что это далеко до 2,7 миллиарда долларов и 13 лет, потраченных на проект «Геном человека», и что первый запуск ещё не дал диагностического уровня, позволяющего принимать медицинские решения.
(Предыстория: Что такое децентрализованная наука DeSci? Принцип работы, плюсы и минусы внедрения DAO, обзор перспективных направлений)
(Дополнение: OpenAI запускает модель наук о жизни GPT-Rosalind: три ключевые способности — геномика, белковая инженерия, химия)

Содержание статьи

Toggle

• Шесть правительств потратили 13 лет
• Чрезвычайно сложный процесс
• Сам по себе геном — не «магия»
• ДНК — стабильный эталон, РНК — это вы в данный момент

Краткое содержание

• Биоинформатик Брэдли Вульф с помощью секвенатора Oxford Nanopore MinION за 7 500 долларов в собственном доме секвенировал свой геном пять раз, выполнив весь процесс от забора образца изо рта до интерпретации вариантных участков самостоятельно.
• Для сравнения: проект «Геном человека» — 2,7 миллиарда долларов, 13 лет, совместные усилия шести правительств; сейчас один человек за два месяца может собрать оборудование и повторить это.
• Он подчёркивает, что сам геном — не магия, а просто «эталонный слой», и его значение раскрывается только через запросы к базам данных VEP, ClinVar, gnomAD и др.; результаты первого запуска ещё не достигают диагностического уровня, и на основании отчёта нельзя сразу делать CRISPR.

Соскоб помещается в рот, прижимается к слизистой внутренней стороны щеки и проводится туда-сюда в течение шестидесяти секунд. Затем соскоб помещают в центрифужную пробирку с охлаждённым фосфатным буфером и отправляют в подержанную центрифугу на 2000 g. Извлекают надосадочную жидкость, добавляют лизирующий реагент и протеиназу К, оставляют, чтобы они разобрали клеточную структуру. Это звучит как лабораторная работа из школьной биологии, но конечная точка этого процесса — полный результат секвенирования человеческого генома. Этот результат получен не в какой-либо лаборатории, а опубликован в блоге самого Брэдли Вульфа, который проделал это пять раз у себя дома.

Шесть правительств потратили 13 лет

В 2003 году проект «Геном человека» (Human Genome Project) был официально завершён. Это был международный проект, финансируемый совместно правительствами шести стран: США, Великобритании, Японии, Франции, Германии и Китая. Запущенный в 1990 году, он длился целых 13 лет, общая стоимость составила около 2,7 миллиарда долларов, были задействованы национальные центры секвенирования и тысячи исследователей.

У Брэдли Вульфа нет лаборатории, нет государственного финансирования. У него есть секвенатор Oxford Nanopore MinION размером с ладонь стоимостью 7 500 долларов, ноутбук с программным обеспечением MinKNOW, GPU для обработки данных секвенирования, вихревой смеситель, нагревательный блок и подержанная центрифуга, купленная на eBay. На сборку и настройку у него ушло около двух месяцев, прежде чем вся система стала стабильно выдавать качественные результаты.

То, на что шести правительствам потребовалось 13 лет, он, по его словам, сделал пять раз у себя дома, и это сравнение поражает многих.

Чрезвычайно сложный процесс

Отбор образца — лишь начало. После завершения лизиса клеток Брэдли Вульф использовал набор для экстракции высокомолекулярной ДНК NEB Monarch с магнитными шариками, чтобы выделить ДНК из кучи белковых примесей, затем измерил концентрацию с помощью флуориметра Qubit, чтобы определить, сколько ДНК можно отправить на секвенирование. Стандартный протокол требует 1000 нг ДНК; однажды при тренировке он набрал только 13,9 нг, но всё равно решил продолжать.

Затем следуют ремонт концов ДНК и присоединение адаптеров для секвенирования с помощью набора ONT SQK-LSK114 для лигирования и набора NEBNext Companion Module. Перед запуском необходимо проверить, сколько активных пор осталось в проточной ячейке (flow cell). Официальный стандарт: более 1200 пор — отлично, 800–1200 — приемлемо, 500–800 — на границе, менее 500 — запуск не имеет смысла. После проверки количества активных пор добавляют образец, запускают MinKNOW, выбирают режим высокой или сверхвысокой точности, и прибор начинает в реальном времени считывать последовательность ДНК.

Секвенирование — не конец. Исходные сигналы необходимо сначала пройти через Dorado для определения оснований, превратив их в строки A, T, C, G, затем с помощью minimap2 сопоставить фрагменты с эталонным геномом человека GRCh38, чтобы найти отличия от стандартной версии, и, наконец, с помощью Clair3 интерпретировать вариантные участки. Весь процесс, от отбора образца до анализа, он проделал дома от начала до конца самостоятельно.

• Основное устройство: секвенатор Oxford Nanopore MinION, 7 500 долларов
• Периферийное оборудование: ноутбук с MinKNOW, GPU для Dorado, вихревой смеситель (50 долларов), нагревательный блок (250 долларов), подержанная центрифуга (400 долларов)
• Реагенты для одного секвенирования: набор для экстракции ДНК NEB Monarch, набор NEBNext Companion Module, набор ONT SQK-LSK114, флуориметр Qubit, магнитные шарики AMPure XP

Сам по себе геном — не «магия»

Брэдли Вульф говорит: «Геном сам по себе — не магия, это эталонный слой (reference layer)».

То, что выдает секвенатор, — это просто длинная статическая последовательность букв, сама по себе она ничего не говорит. Действительно значимые действия происходят после секвенирования: эту последовательность отправляют в базы данных Ensembl VEP, ClinVar, gnomAD, PharmGKB для сравнения и запросов, чтобы узнать, связан ли какой-либо вариантный участок с риском заболевания, или влияет ли какой-то ген на скорость метаболизма конкретного лекарства. Он сам проверял через PharmGKB, чтобы узнать, может ли его реакция на некоторые лекарства отличаться от обычной.

Но он также провел четкую границу. Данные, полученные при первом запуске MinION, еще не достигли диагностического уровня; вариантные участки с недостаточной глубиной покрытия нельзя считать достоверными. Он пишет более прямо: это абсолютно не тот случай, когда «из-за того, что сказал какой-то ИИ, можно редактировать себя с помощью CRISPR».

Прочитать свою ДНК и принять на ее основе решение — это две совершенно разные вещи.

Если бы перед вами сейчас лежал полный отчет о вашем собственном геноме, осмелились бы вы скорректировать прием лекарств на основе его рекомендаций? Или сначала задумались бы, насколько этот отчет достоверен?

ДНК — стабильный эталон, РНК — это вы в данный момент

Амбиции Брэдли Вульфа не ограничиваются одним секвенированием. Он считает, что ДНК — это стабильный эталон, а РНК — текущее состояние в реальном времени; вместе с данными других биодатчиков они в конечном итоге будут объединены в модель «о вас самих». Он ожидает, что эта технология станет такой же распространенной, как мобильные телефоны или ИИ, и стоимость экспоненциально падает; однажды любой сможет в реальном времени видеть экспрессию своей ДНК и РНК.

Перенесемся в криптомир: это как раз то, о чем в последние годы говорит «децентрализованная наука» DeSci (Decentralized Science) — вернуть научные исследования, права собственности на данные и геномную информацию от учреждений обратно индивидуумам. Проекты вроде VitaDAO, BIO Protocol занимаются децентрализацией биотехнологических исследований, токенизацией финансирования и интеллектуальной собственности. То, что делает Брэдли Вульф, — это самый базовый, самый исходный шаг на этом пути: даже сам акт секвенирования не доверяется медицинским учреждениям, а выполняется дома.

Часто задаваемые вопросы

Отличается ли секвенатор MinION от генетического тестирования в больнице?

Да, отличается. MinION — это портативное устройство для секвенирования исследовательского уровня; сам Брэдли Вульф подчеркивает, что первые результаты еще не достигли диагностического уровня, и это не то же самое, что генетическое тестирование с клинической валидацией, проводимое в больнице; они не взаимозаменяемы.

Законно и безопасно ли секвенировать свой геном дома?

Секвенирование собственной ДНК само по себе не является незаконным; оборудование и реагенты можно приобрести открыто, но интерпретация данных требует профессиональных знаний. Риск приема лекарств или редактирования генов на основе отчета без надлежащего клинического подтверждения полностью ложится на пользователя.