El gadget que hace que la secuencia de ADN sea un juego de niños

El MinION abre la biotecnología abierta a las masas como la PC democratizó la informática. ¿Qué haremos con este nuevo poder?

The MinION (Cortesía de Oxford Nanopore)

Es un martes por la tarde y Poppy, una niña de 12 años en la ciudad de Nueva York, se para frente a su clase y explica a sus compañeros cómo se puede leer el código de vida al pasar una cadena de ADN a través de algo llamado nanoporos. . Como parte de PlayDNA, un programa que cofundé, los estudiantes han estado encurtiendo pepinos durante la semana pasada. Han medido el pH del líquido en los frascos de pepinillos y, debido a la creciente nubosidad, vieron que el número de células bacterianas se duplicaba. Y a diferencia de generaciones de clases de ciencias antes que ellos, tomaron muestras de los frascos para identificar las especies bacterianas por su ADN.

Ahora es el momento de revelar la vida invisible en sus frascos de pepinillos. Los estudiantes se reúnen alrededor de la mesa y, junto con su maestro, colocan una muestra de ADN bacteriano real en un pequeño secuenciador de ADN, que simplemente se conecta al puerto USB de una computadora. Minutos después, las primeras lecturas de ADN aparecen en tiempo real en su pantalla.

Esto es posible en una escuela secundaria gracias al secuenciador de ADN en miniatura, llamado MinION, fabricado por Oxford Nanopore Technologies. He estado usando este dispositivo durante casi dos años en el Centro del Genoma de Nueva York, donde investigo cómo usarlo para la reidentificación de muestras de ADN. Mi asesor, Yaniv Erlich, y yo fuimos los primeros en implementarlo en un aula de la Universidad de Columbia, y ahora es parte de nuestro programa PlayDNA en las escuelas locales. Estoy convencido de que representa un hito en tecnología. La secuenciación portátil de ADN permite a cualquiera, no solo a los científicos, ver la vida a una resolución más alta de la que la cámara más elegante puede proporcionar, e incluso después de que una criatura se haya ido. Podemos ampliar nuestra visión para ver todas las especies, no solo las que son visibles a simple vista.

El MinION cuesta $ 1,000 y es del tamaño de una barra de chocolate. Se conecta al puerto USB de una computadora portátil. Para que lea una muestra de ADN, use una micropipeta para colocar una "biblioteca de ADN" (más sobre eso en un minuto) a través de una abertura de tamaño milimétrico en el MinION. Dentro del dispositivo hay nanoporos, conos de poco más de una billonésima de metro de ancho, colocados en una membrana. Una corriente de iones constante fluye a través de estos nanoporos. Dado que cada nucleótido (A, T, C o G) tiene una composición molecular única, cada uno tiene una forma un poco diferente. La forma única que pasa a través del poro interrumpe la corriente de iones de una manera específica. Así como podemos inferir una forma analizando su sombra en una pared, podemos inferir la identidad de un nucleótido a partir de las perturbaciones que causa a la corriente de iones. Así es como el dispositivo convierte las bases en bits que se transmiten a una computadora.

Una ilustración de cómo el ADN y una corriente fluyen a través de un nanoporo. (Cortesía de Oxford Nanopore)

Todavía no podemos micropipetar directamente el jugo de pepinillos en el MinION. Se requieren algunos pasos avanzados para preparar la biblioteca de ADN que se secuencia. Primero debes abrir las células en el jugo de pepinillos y purificar su ADN. Las células son todas diferentes: puede recordar de la clase de biología que las paredes celulares de las plantas se parecen a las paredes celulares bacterianas, que son diferentes a las membranas de las células de mamíferos, y cada tipo de célula requiere su propio método. Luego, el ADN purificado debe prepararse de tal manera que MinION pueda leerlo. Estos pasos para crear la biblioteca de ADN requieren máquinas que aún no sean fáciles de usar para un no especialista, incluida una microcentrífuga y un termociclador (en Democratizing DNA Fingerprinting puede verme realizando esta preparación de la biblioteca y secuenciación de ADN en una azotea en Nueva York). Pero en el futuro, estos pasos también se realizarán en un único dispositivo portátil en miniatura.

Esto abrirá el campo. Las personas podrán usar el MinION en sus cocinas para verificar el contenido de su lasaña preparada (¿realmente contiene carne de res o es carne de caballo?) O usarlo para la vigilancia de patógenos y alérgenos. Oxford Nanopore incluso planea ir un paso más allá con SmidgION: un secuenciador de ADN que puede conectar a su teléfono.

Pero todavía estamos empezando a ver qué hará la gente con esta tecnología. Los científicos han aprovechado la portabilidad del MinION para monitorear la biodiversidad en áreas remotas como los Valles Secos McMurdo de Antartica. La NASA está utilizando el dispositivo para monitorear el estado de salud de los astronautas en el espacio y eventualmente podría usarlo para visualizar la vida extraterrestre. Las autoridades en Kenia pronto podrían verificar instantáneamente si la carne proviene de la caza furtiva ilegal.

En nuestro laboratorio en el Centro del Genoma de Nueva York, desarrollamos un método para usar el MinION en las escenas del crimen. Pensamos que un secuenciador portátil, que puede entregar resultados en minutos, podría dar a los investigadores una ventaja para identificar víctimas o sospechosos. Los métodos forenses tradicionales pueden llevar días, a veces semanas. Esto se debe a que alguien tiene que transportar las muestras de las escenas del crimen a laboratorios bien equipados, donde la evidencia se encuentra en una cola antes de ser utilizada en máquinas costosas.

Los sensores de secuenciación de nanoporos son una adición al campo de la genómica y es poco probable que reemplacen las plataformas de secuenciación más tradicionales, como las producidas por el líder del mercado, Illumina. Esas plataformas de secuenciación de ADN son extremadamente precisas, lo que las hace indispensables para leer un genoma completo (un par de veces), que es lo que se necesita para, por ejemplo, determinar qué variaciones genéticas en las personas conducen a enfermedades.

Ese tipo de trabajo no es actualmente la fuerza del MinION. Tiene una tasa de error de aproximadamente el 5 por ciento, lo que significa que hay un error de lectura cada 20 nucleótidos. Eso es alto considerando que la diferencia entre dos individuos es de 0.1 por ciento (una variación cada 1,000 nucleótidos). Pero la lectura del MinION sigue siendo lo suficientemente buena como para alimentar el algoritmo que desarrollamos para el análisis de la escena del crimen. Este algoritmo calcula la probabilidad de que el cabello u otro material encontrado en la escena del crimen coincida con un individuo en una base de datos policial especial.

Para entender por qué esto funciona incluso con la alta tasa de error, imagine que le doy el nombre de "Voldamord" y le pido que me diga a qué libro me refiero. Puede reconocer que es un libro de Harry Potter porque tiene una base de datos en su cabeza que se formó a través de la lectura, a pesar de que hay errores tipográficos en la palabra que le estoy dando. No necesita volver a leer el libro completo de 300 páginas o hacer que "Voldemort" se presente exactamente a la derecha. La genómica funciona según el mismo principio. Una vez que tenga una base de datos útil, solo necesita algunos fragmentos de ADN informativos para identificar qué especies bacterianas están presentes en las muestras de encurtidos o, a veces, incluso de qué persona proviene el ADN.

Ahora que se acerca la era de la secuenciación ubicua del ADN, necesitamos mejorar la alfabetización genética. ¿Cómo manejamos este "big data" genómico? Para abordar esas preguntas, Yaniv Erlich y yo comenzamos una clase llamada Genómica ubicua en el departamento de informática de la Universidad de Columbia en 2015. Enseñamos a los estudiantes sobre esta tecnología de vanguardia y los hicimos experimentar el potencial. Los estudiantes secuenciaron el ADN con sus propias manos y se los alentó a desarrollar métodos computacionales para analizar sus datos. El éxito de este esfuerzo en el "aprendizaje integrador" nos animó a pensar que podríamos hacer algo similar para involucrar a los escolares en la genómica y el análisis de datos. Fundamos PlayDNA con ese objetivo.

Un primer plano de la micropipeta utilizada con MinION. (Cortesía de Oxford Nanopore)

El día antes del comienzo de la primera clase piloto de PlayDNA, separé un par de ingredientes de mi almuerzo que luego terminarían en una muestra misteriosa de ADN que los estudiantes tuvieron que identificar. PlayDNA proporciona la infraestructura para que las aulas no tengan que preocuparse por extraer ADN y preparar las bibliotecas de ADN, para que los estudiantes puedan comenzar a secuenciar el ADN de inmediato e interpretar sus datos. Veinte estudiantes de 12 años de edad, que solo recibieron un par de horas de capacitación en micropipetas, secuenciaron el ADN no dos horas después de llegar al aula. La conversión en tiempo real de la información biológica en grandes datos anima al sujeto; los estudiantes estaban ansiosos por saber qué especies podían verse en las lecturas de ADN que estaban viendo. Su tarea para la semana siguiente fue analizar los datos e identificar los ingredientes y sus proporciones de mi almuerzo. Efectivamente, la semana siguiente un grupo preguntó: "Sophie, ¿comiste una ensalada de tomate y algo de carne de oveja para el almuerzo?"

¿Está la tecnología lista para su encimera de cocina? Esperaría hacer espacio por un tiempo. Todavía se necesitan algunos conocimientos para manejar los pasos antes de la secuenciación, como abrir las células y purificar el ADN. Sin embargo, Oxford Nanopore también está trabajando en formas de automatizar estos pasos. Eventualmente, puedo prever una familia donde los niños están usando un SmidgION para jugar una nueva versión de Pokemon Go en el parque con especies reales, mientras que mamá le pregunta a papá: "Querido, ¿pusiste la mesa y secuenciaste la lasaña?"

Sophie Zaaijer es becaria postdoctoral en el Centro del Genoma de Nueva York y directora ejecutiva de PlayDNA, que está desarrollando clases de datos genómicos para escuelas intermedias, secundarias y educación universitaria.