如何定序自己的DNA？他用超廉價成本在家完成

Bradley Woolf, có nền tảng tin sinh học, đã sử dụng một máy giải trình tự Oxford Nanopore MinION giá 7.500 USD tại nhà, mất hai tháng để thiết lập toàn bộ quy trình, tự mình thực hiện từ lấy mẫu miệng, chiết xuất, vận hành máy đến giải mã các điểm biến thể, và đã giải trình tự năm lần. Ông cũng nhấn mạnh trong bài viết rằng điều này còn xa so với 2,7 tỷ USD và 13 năm mà Dự án Bộ gen Người đã tiêu tốn, và kết quả lần đầu tiên vẫn chưa đạt đến cấp độ chẩn đoán có thể dùng để đưa ra quyết định y tế.

(Tiền đề: Khoa học phi tập trung DeSci là gì? Nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm khi áp dụng DAO, tổng hợp các lĩnh vực tiềm năng) (Bổ sung bối cảnh: OpenAI ra mắt mô hình khoa học sự sống GPT-Rosalind: sở hữu ba năng lực cốt lõi về genomics, kỹ thuật protein và hóa học)

Mục lục bài viết

Chuyển đổi

• Chính phủ sáu nước đã mất 13 năm
• Quy trình cực kỳ phức tạp
• Bộ gen tự nó không phải là "phép thuật"
• DNA là tham chiếu ổn định, RNA mới là bạn ở hiện tại

Tóm tắt chính

• Bradley Woolf, có nền tảng tin sinh học, đã sử dụng máy giải trình tự Oxford Nanopore MinION giá 7.500 USD, tự giải trình tự bộ gen của mình năm lần tại nhà, từ lấy mẫu miệng đến giải mã điểm biến thể, hoàn toàn tự làm.
• So với Dự án Bộ gen Người: một công việc cần 2,7 tỷ USD, 13 năm, sự hợp tác của chính phủ sáu nước, nay một người có thể sao chép chỉ sau hai tháng lắp ráp thiết bị.
• Ông nhấn mạnh bộ gen tự nó không phải là phép thuật, chỉ là "lớp tham chiếu", phải tra cứu các cơ sở dữ liệu như VEP, ClinVar, gnomAD mới có ý nghĩa; kết quả đầu tiên vẫn chưa đạt cấp độ chẩn đoán, không thể dùng báo cáo để thực hiện CRISPR.

Đưa que gạc vào miệng, chà xát lên niêm mạc bên trong má trong sáu mươi giây. Sau đó bỏ que gạc vào ống ly tâm chứa dung dịch đệm phosphate lạnh, đưa vào máy ly tâm đã qua sử dụng, quay ở tốc độ 2000 g. Lấy phần dịch nổi, thêm thuốc thử phân giải và proteinase K, để yên, đợi nó phá hủy cấu trúc tế bào. Nghe như các bước thí nghiệm trong lớp sinh học trung học, nhưng điểm cuối của quy trình này là một bộ kết quả giải trình tự bộ gen người hoàn chỉnh. Kết quả này không đến từ bất kỳ phòng thí nghiệm nào, mà là nội dung được Bradley Woolf tự công bố trên blog của mình, và ông đã thực hiện năm lần tại nhà.

Chính phủ sáu nước đã mất 13 năm

Năm 2003, Dự án Bộ gen Người (Human Genome Project) chính thức hoàn thành. Đó là một công trình quốc tế do chính phủ sáu nước Mỹ, Anh, Nhật, Pháp, Đức, Trung Quốc cùng tài trợ, khởi động năm 1990, kéo dài suốt 13 năm, tổng chi phí khoảng 2,7 tỷ USD, sử dụng các trung tâm giải trình tự cấp quốc gia và hàng ngàn nhà nghiên cứu.

Bradley Woolf không có phòng thí nghiệm, không có ngân sách quốc gia. Ông chỉ có một máy giải trình tự Oxford Nanopore MinION nhỏ bằng lòng bàn tay, giá 7.500 USD, kèm một máy tính xách tay chạy phần mềm MinKNOW, một GPU xử lý dữ liệu giải trình tự, một máy trộn xoáy, một khối gia nhiệt, và một máy ly tâm đã qua sử dụng mua từ eBay. Việc lắp ráp và hiệu chỉnh mất khoảng hai tháng để đưa toàn bộ hệ thống vào trạng thái có thể cho ra kết quả chất lượng cao ổn định.

Điều mà chính phủ sáu nước làm trong 13 năm, ông nói mình đã làm năm lần tại nhà, sự so sánh này khiến mọi người rất ngạc nhiên.

Quy trình cực kỳ phức tạp

Lấy mẫu chỉ là điểm khởi đầu. Sau khi ly giải tế bào, Bradley Woolf sử dụng bộ chiết xuất DNA phân tử lượng cao của NEB Monarch, kết hợp với hạt từ để tách DNA ra khỏi đống tạp chất protein, sau đó dùng máy đo huỳnh quang Qubit để đo nồng độ, xác nhận lượng DNA có thể gửi đi giải trình tự. Quy trình chuẩn yêu cầu 1.000 nanogram DNA, có lần ông chỉ thu được 13,9 nanogram trong khi luyện tập, nhưng vẫn kiên trì chạy.

Tiếp theo là sửa chữa đầu cuối DNA, gắn adapter giải trình tự, dùng bộ giải trình tự kết nối SQK-LSK114 của ONT, kết hợp với NEBNext Companion Module. Trước khi đưa lên máy, cần kiểm tra trong flow cell còn bao nhiêu lỗ hoạt động; tiêu chuẩn chính thức: hơn 1.200 lỗ là xuất sắc, 800-1.200 có thể dùng, 500-800 là ranh giới, dưới 500 thì không chạy. Sau khi xác nhận số lỗ hoạt động, thêm mẫu, khởi động MinKNOW, chọn chế độ độ chính xác cao hoặc siêu cao, máy bắt đầu đọc trình tự DNA theo thời gian thực.

Giải trình tự xong không có nghĩa là kết thúc. Tín hiệu thô cần được giải mã base bằng Dorado, chuyển thành chuỗi A, T, C, G, sau đó dùng minimap2 so sánh các đoạn với bộ gen tham chiếu GRCh38 của người, tìm ra điểm khác biệt so với phiên bản tiêu chuẩn, cuối cùng dùng Clair3 để giải mã điểm biến thể. Toàn bộ quy trình, từ lấy mẫu đến phân tích, ông tự mình thực hiện tại nhà từ đầu đến cuối.

• Máy chính: Máy giải trình tự Oxford Nanopore MinION, 7.500 USD
• Thiết bị ngoại vi: Máy tính xách tay chạy MinKNOW, GPU chạy Dorado giải mã, máy trộn xoáy (50 USD), khối gia nhiệt (250 USD), máy ly tâm đã qua sử dụng (400 USD)
• Hóa chất cho một lần giải trình tự: Bộ chiết xuất DNA NEB Monarch, NEBNext Companion Module, bộ SQK-LSK114 của ONT, máy đo huỳnh quang Qubit, hạt từ AMPure XP

Bộ gen tự nó không phải là "phép thuật"

Bradley Woolf nói: "Bộ gen tự nó không phải là phép thuật, nó là lớp tham chiếu (reference layer)."

Máy giải trình tự chỉ nhả ra một chuỗi dài các chữ cái tĩnh, tự nó không cho bạn biết bất cứ điều gì. Hành động thực sự có ý nghĩa xảy ra sau khi giải trình tự: đưa chuỗi này vào các cơ sở dữ liệu như Ensembl VEP, ClinVar, gnomAD, PharmGKB để so sánh và tra cứu, mới biết liệu một điểm biến thể nào đó có liên quan đến nguy cơ bệnh tật, hoặc một đoạn gene nào đó có ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hóa thuốc cụ thể của bạn hay không. Bản thân ông đã tra cứu trên PharmGKB để tìm hiểu phản ứng của mình với một số loại thuốc có thể khác biệt so với người thường.

Nhưng ông đồng thời vạch ra một ranh giới rõ ràng. Dữ liệu từ lần chạy MinION đầu tiên vẫn chưa đạt cấp độ chẩn đoán; các điểm biến thể có độ phủ không đủ sâu không thể coi là đáng tin cậy. Ông viết thẳng thắn hơn: đây chắc chắn không phải là chuyện "vì AI nói gì đó mà tự chỉnh sửa bằng CRISPR".

Đọc hiểu DNA của chính mình và sử dụng nó để đưa ra quyết định là hai việc hoàn toàn khác nhau.

Nếu bây giờ trước mặt bạn có một báo cáo bộ gen đầy đủ của chính mình, bạn dám điều chỉnh thuốc theo khuyến nghị trên đó không, hay trước tiên bạn sẽ nghĩ xem báo cáo đó có đáng tin đến mức nào?

DNA là tham chiếu ổn định, RNA mới là bạn ở hiện tại

Tham vọng của Bradley Woolf không chỉ dừng lại ở việc giải trình tự xong. Ông nói rằng DNA là tham chiếu ổn định, RNA là trạng thái tức thời ở hiện tại; cả hai, kết hợp với dữ liệu từ các cảm biến sinh học khác, cuối cùng sẽ được tích hợp thành một mô hình về "bạn". Ông dự đoán công nghệ này sẽ trở nên phổ biến như điện thoại thông minh hoặc AI; chi phí đang giảm theo cấp số nhân, và một ngày nào đó bất kỳ ai cũng có thể thấy sự biểu hiện DNA và RNA của mình theo thời gian thực.

Đặt vấn đề trở lại thế giới tiền điện tử, đây chính xác là điều "Khoa học phi tập trung" DeSci (Decentralized Science) đã nói đến trong vài năm nay: trả lại nghiên cứu khoa học, quyền sở hữu dữ liệu và thông tin bộ gen từ các tổ chức cho cá nhân. Các dự án như VitaDAO, BIO Protocol đang làm việc phi tập trung hóa nghiên cứu công nghệ sinh học, token hóa vốn và quyền sở hữu trí tuệ. Bradley Woolf đang thực hiện bước thấp nhất và nguyên thủy nhất trên con đường này: không giao việc giải trình tự cho các cơ sở y tế, mà tự mình hoàn thành tại nhà.

Các câu hỏi thường gặp

Máy giải trình tự MinION có giống với xét nghiệm gene tại bệnh viện không?

Không giống. MinION là thiết bị giải trình tự di động cấp nghiên cứu; Bradley Woolf cũng nhấn mạnh kết quả lần đầu chưa tới cấp độ chẩn đoán, khác hoàn toàn với xét nghiệm gene được gửi đến bệnh viện với quy trình xác thực lâm sàng, không thể thay thế cho nhau.

Giải trình tự bộ gen của chính mình tại nhà có hợp pháp không? Có an toàn không?

Giải trình tự DNA của chính mình không vi phạm pháp luật; thiết bị và hóa chất có thể mua công khai, nhưng việc giải thích dữ liệu cần kiến thức chuyên môn. Nếu vội vàng dựa vào báo cáo để dùng thuốc hoặc tiến hành chỉnh sửa gene kiểu phẫu thuật, rủi ro hoàn toàn do người dùng tự chịu.