如何定序自己的DNA？他用超廉價成本在家完成

Бредлі Вульф із біоінформатичним бекграундом використав удома секвенатор Oxford Nanopore MinION за 7500 доларів, витратив два місяці на збір усього процесу, і п’ять разів просеквенував свій геном — від забору з ротової порожнини, екстракції, запуску до інтерпретації варіантів. Він також зазначає у статті, що це ще далеко до 2,7 мільярда доларів та 13 років, спалених на Проєкт геному людини, і перші результати ще не досягають діагностичного рівня, на якому можна приймати медичні рішення.

(Передісторія: Що таке децентралізована наука DeSci? Принцип роботи, переваги та недоліки впровадження DAO, огляд перспективних напрямків) (Додаткове тло: OpenAI запускає модель біологічних наук GPT-Rosalind: три ключові компетенції — геноміка, білкова інженерія, хімія)

Зміст статті

Toggle

• Шість урядів витратили 13 років
• Надзвичайно складний процес
• Геном сам по собі не "магія"
• ДНК — стабільна довідка, РНК — це ви зараз

Короткий зміст

• Бредлі Вульф із біоінформатичним бекграундом використав секвенатор Oxford Nanopore MinION за 7500 доларів і п’ять разів просеквенував свій геном удома, від забору з ротової порожнини до інтерпретації варіантів — усе самостійно.
• Порівняння з Проєктом геному людини: те, на що 2,7 млрд доларів, 13 років і шість урядів витратили спільно, тепер одна людина може відтворити, витративши два місяці на збір обладнання.
• Він наголошує, що геном сам по собі не магія, а лише "референтний шар", який набуває сенсу лише після запитів до баз даних, таких як VEP, ClinVar, gnomAD. Перші результати ще не досягають діагностичного рівня, тому не можна просто взяти звіт і зробити CRISPR.

Тампоном проводять по внутрішній стороні щоки, по слизовій оболонці, протягом шістдесяти секунд. Потім тампон кидають у центрифужну пробірку з охолодженим фосфатним буфером, відправляють у вживану центрифугу, оберти 2000 g. Виймають супернатант, додають лізуючий реагент та протеїназу K, залишають, чекають, поки він розбере клітинні структури. Це звучить як експеримент зі шкільного курсу біології, але кінцева точка цього процесу — повне секвенування геному людини. Результат отримала не якась лабораторія, а Бредлі Вульф, опублікований у його блозі, який він зробив удома п’ять разів.

Шість урядів витратили 13 років

У 2003 році Проєкт геному людини (Human Genome Project) був офіційно завершений. Це був міжнародний проект, фінансований спільно урядами США, Великобританії, Японії, Франції, Німеччини та Китаю. Він стартував у 1990 році, тривав цілих 13 років, загальна вартість близько 2,7 мільярда доларів, використовувалися національні секвенувальні центри та тисячі дослідників.

У Бредлі Вульфа не було лабораторії, не було державного фінансування. У нього був секвенатор Oxford Nanopore MinION розміром з долоню, вартістю 7500 доларів, плюс ноутбук із програмним забезпеченням MinKNOW, GPU для обробки даних секвенування, вортекс-міксер, нагрівальний блок та вживана центрифуга, куплена на eBay. На збирання та налаштування він витратив близько двох місяців, перш ніж система змогла стабільно видавати якісні результати.

Те, на що шість урядів витратили 13 років, він каже, що зробив удома п’ять разів. Це порівняння дуже вражає людей.

Надзвичайно складний процес

Відбір проб — лише початок. Після лізису клітин Бредлі Вульф використав набір для екстракції високомолекулярної ДНК NEB Monarch разом із магнітними кульками, щоб виділити ДНК із купи білкових домішок, а потім виміряв концентрацію за допомогою флуорометра Qubit, щоб підтвердити, скільки ДНК можна відправити на секвенування. Стандартний протокол вимагає 1000 нг ДНК, один раз під час тренування він зібрав лише 13,9 нг, але все одно запустився далі.

Далі — ремонт кінців ДНК, приєднання адаптерів для секвенування за допомогою набору ONT SQK-LSK114 для лігування разом із модулем NEBNext Companion Module. Перед запуском потрібно перевірити, скільки активних пор залишилося в проточній комірці (flow cell). Офіційний стандарт: більше 1200 пор — добре, 800–1200 — придатно, 500–800 — гранично, менше 500 — не варто запускати. Після підтвердження кількості активних пор додають зразок, запускають MinKNOW, вибирають режим високої точності або ультрависокої точності, і машина починає зчитувати послідовності ДНК у реальному часі.

Секвенування не означає кінець. Сигнали спочатку потрібно обробити за допомогою Dorado для визначення основ, перетворити на рядки A, T, C, G, потім за допомогою minimap2 вирівняти фрагменти на референтний геном людини GRCh38, знайти, де є відмінності від стандартної версії, і нарешті використати Clair3 для виявлення варіаційних ділянок. Весь процес, від відбору проб до аналізу, він виконав удома від початку до кінця.

• Основна машина: секвенатор Oxford Nanopore MinION, 7500 доларів
• Периферійне обладнання: ноутбук із MinKNOW, GPU для обробки Dorado, вортекс-міксер (50 доларів), нагрівальний блок (250 доларів), вживана центрифуга (400 доларів)
• Реагенти для одноразового секвенування: набір для екстракції ДНК NEB Monarch, NEBNext Companion Module, набір ONT SQK-LSK114, флуорометр Qubit, магнітні кульки AMPure XP

Геном сам по собі не "магія"

Бредлі Вульф каже: "Геном сам по собі не магія, це референтний шар (reference layer)".

Те, що видає секвенатор, — це просто довга статична послідовність літер, яка сама по собі нічого не говорить. Справді значущі дії відбуваються після секвенування: цю послідовність потрібно відправити в бази даних, такі як Ensembl VEP, ClinVar, gnomAD, PharmGKB, для порівняння та запитів. Тільки тоді можна дізнатися, чи пов'язана певна варіаційна ділянка з ризиком захворювання, чи впливає якийсь ген на ваш метаболізм певних ліків. Він сам перевіряв PharmGKB, щоб дізнатися, чи його реакція на деякі ліки відрізняється від середньої.

Але він також чітко окреслив межу. Дані, отримані вперше за допомогою MinION, ще не досягають діагностичного рівня; варіаційні ділянки з недостатньою глибиною покриття не можна вважати достовірними. Він пише більш прямо: це точно не те, що "якийсь AI щось сказав, і тому ти використовуєш CRISPR, щоб редагувати себе".

Розуміти власну ДНК і приймати на її основі рішення — це дві абсолютно різні речі.

Якщо зараз перед вами лежить повний звіт про ваш геном, чи наважитеся ви скоригувати лікування згідно з його рекомендаціями? Чи спочатку подумаєте, наскільки цьому звіту можна довіряти?

ДНК — стабільна довідка, РНК — це ви зараз

Амбіції Бредлі Вульфа не закінчуються просто секвенуванням. Його думка: ДНК — це стабільна довідка, а РНК — це поточний стан у реальному часі. Разом із даними інших біосенсорів, все це врешті-решт буде інтегровано в модель "вас". Він прогнозує, що ця технологія стане такою ж поширеною, як мобільні телефони або AI, оскільки вартість експоненціально падає, і колись кожен зможе в реальному часі бачити свою ДНК та експресію РНК.

Якщо подивитися на криптоспільноту, це саме те, про що останніми роками говорить "децентралізована наука" DeSci (Decentralized Science): повернути наукові дослідження, право власності на дані та геномну інформацію від інституцій до окремих осіб. Такі проекти, як VitaDAO, BIO Protocol, роблять біотехнологічні дослідження децентралізованими, токенізуючи фінансування та інтелектуальну власність. Те, що робить Бредлі Вульф, — це найнижчий, найпервісніший крок на цьому шляху: навіть саме секвенування не довіряється медичним установам, а виконується вдома самостійно.

Часті питання

Чи відрізняється секвенатор MinION від генетичного тесту, який роблять у лікарні?

Так. MinION — це дослідницький портативний секвенатор. Бредлі Вульф сам підкреслює, що перші результати ще не досягають діагностичного рівня, тому це зовсім інше, ніж генетичне тестування в лікарні, яке проходить клінічну валідацію. Вони не взаємозамінні.

Чи законно та безпечно секвенувати власний геном удома?

Секвенування власної ДНК саме по собі не є незаконним, обладнання та реагенти можна вільно придбати, але для інтерпретації даних потрібні спеціальні знання. Якщо необдумано використовувати ліки або редагувати гени на основі звіту, весь ризик лягає на користувача.