- ต้นทุนการจัดลำดับ DNA กำลังลดลงเร็วกว่า กฎของมอร์ อย่างต่อเนื่อง
- ด้วย Oxford Nanopore MinION คุณสามารถจัดลำดับ DNA ที่บ้านได้ด้วยประมาณ $1,100
- ในการทดลองจริงมีการผ่านขั้นตอนเช่น การเจาะเลือด การสกัด DNA และการจัดลำดับด้วยนาโนพอร์
- โดยรวมแล้วได้ครอบคลุมเพียง ประมาณ 13% ของจีโนมทั้งหมด และการวิเคราะห์ถูกจำกัดด้วยการปนเปื้อนและข้อบกพร่องของอุปกรณ์
- อย่างไรก็ตามยังได้ ประสบการณ์ที่มีความหมาย ในการจัดลำดับ DNA บางส่วนด้วยต้นทุนที่ต่ำ
บทนำ
- ต้นทุนการจัดลำดับ DNA ลดลง อย่างรวดเร็ว จนการถอดรหัสจีโนมมนุษย์ที่เคยใช้เวลา 13 ปี และ 2.3 พันล้านดอลลาร์ในอดีต สามารถลองทำเองได้ภายใน 48 ชั่วโมง ด้วยอุปกรณ์ Oxford Nanopore (ราว $1,000) เท่านั้น
- ในอดีตมักต้องส่งตัวอย่างให้กับผู้ให้บริการบุคคลที่สามที่ไม่น่าเสถียร แต่ในบทความนี้มีการพยายามจัดลำดับในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีห้องแล็บของตนเอง
ภาพรวมกระบวนการจัดลำดับ DNA
- เป้าหมายคือการได้ลำดับจีโนมของมนุษย์จาก เลือด 10 ml ซึ่งประกอบด้วย A, C, G, T (ประมาณ 3 พันล้านตัว)
- สรุปขั้นตอนทั้งหมด
- การเจาะเลือด
- การ สกัด DNA ของมนุษย์ จากเลือด
- นำ DNA ที่สกัดได้ผ่านอุปกรณ์ของ Oxford Nanopore แบบ ไฟฟ้า เพื่ออ่านเบสแต่ละตัว
ประวัติย่อของการจัดลำดับ DNA
- ยุค Sanger (1960~2003): อิงระบบอะนาล็อก จัดการแบบแมนนวล และดำเนินการอย่างช้ามาก
- ใช้ นิวคลีโอไทด์ ที่มีข้อบกพร่องเพื่อหยุดการทำซ้ำ DNA แล้วแยกชิ้นส่วนแต่ละชิ้นด้วยไฟฟ้า และอ่านเหมือนบาร์โค้ด
- ใช้เวลา 13 ปี และ 2.3 พันล้านดอลลาร์ในการถอดรหัสจีโนมมนุษย์
- ยุค Illumina (2005~2010s): การทำงานแบบขนานและอัตโนมัติ
- นำเข้าการจัดลำดับด้วยการสังเคราะห์ ทำให้ความเร็วในการประมวลผลและประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมาก
- ยุคการจัดลำดับโมเลกุลเดี่ยว:
- อ่าน เบส DNA โดยตรงผ่านนโนพอร์ไฟฟ้า โดยไม่จำเป็นต้องตัดชิ้น DNA เป็นชิ้นเล็กๆ
- การทดลองครั้งนี้ก็ใช้วิธีนี้
อุปกรณ์และต้นทุนที่ต้องใช้
- ชุดเริ่มต้น Oxford Nanopore MinION ($1,000): เครื่องจัดลำดับแบบ USB, รวมถึง flow cell และสารเคมีสำหรับการเตรียม
- ชุดสกัด DNA ของ Zymo (ตัวอย่างฟรี)
- เครื่องปั่นเหวี่ยงแบบขนาดเล็ก (Amazon, $50)
- อุปกรณ์สิ้นเปลืองสำหรับการทดลอง (หลอด eppendorf, lancet, pipette ฯลฯ, $50)
- ต้นทุนรวมประมาณ $1,100
รายละเอียดขั้นตอนการทดลอง
Step 1: การเจาะเลือด
- ต้องการเลือดราว 200㎕ (0.2 ml) ปริมาณจาก lancet ขนาดเล็กไม่เพียงพอ จึงต้องเจาะนิ้วซ้ำๆ เพื่อเก็บเลือด
Step 2: การสกัด DNA
- เลือดมีสิ่งปนเปื้อนจำนวนมาก โดยเฉพาะเม็ดเลือดแดงที่แทบไม่มี DNA
- ต้องแยกเฉพาะ DNA จากเม็ดเลือดขาว โดยใช้เอนไซม์และฟิลเตอร์ปั่นเหวี่ยงของชุด Zymo ในการดำเนินการ
- ทำตามขั้นตอนการติดอะแดปเตอร์ของ ชุดเตรียม Nanopore ด้วยเช่นกัน
Step 3: การจัดลำดับด้วย Nanopore
- ฉีด DNA ที่เตรียมแล้วเข้าไปยังพอร์ตเล็กของ MinION แล้วเชื่อมต่อด้วย USB
- ซอฟต์แวร์ MinKNOW ทำการ basecalling แบบเรียลไทม์ โดยคาดการณ์ A, T, C, G จากสัญญาณไฟฟ้าด้วยอัลกอริทึมเครือข่ายประสาท
ผลลัพธ์และข้อจำกัด
- ประสบความสำเร็จในการจัดลำดับข้อมูลราว 1 กิกะเบสสองครั้ง (ประมาณ 13% ของจีโนมมนุษย์ทั้งหมด 3 พันล้านเบส)
- การทดลองครั้งที่หนึ่งหยุดลงเนื่องจากข้อผิดพลาดของฮาร์ดแวร์ และพบความผิดปกติของ flow cell (จาก 2,048 พอร์มีเพียง 623 พอร์ที่ทำงาน)
- พบการปนเปื้อนจากแบคทีเรียและสิ่งอื่นๆ ถึง 25%
- สำหรับการวิเคราะห์ SNP (การกลายพันธุ์เดี่ยวตัวอักษร) จำเป็นต้องจัดลำดับซ้ำหลายครั้ง แต่ข้อมูลส่วนใหญ่ถูกอ่านเพียงครั้งเดียวโดยไม่มีการซ้ำซ้อน
- อย่างไรก็ตามการใช้งบประมาณเพียง $1,100 ก็ยังทำให้ได้รับ ประสบการณ์การจัดลำดับจีโนมมนุษย์บางส่วนที่มีความหมาย
คำกล่าวขอบคุณ
- มีการขอบคุณเพื่อนๆ ที่ร่วมมือในการทดลองครั้งนี้
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นใน Hacker News
เรายังพูดได้ไม่เต็มปากว่าเข้าสู่ "ยุคของการจัดลำดับแบบ nanopore" แล้ว และการจัดลำดับแบบ synthesis-based ก็ยังคงเป็นกระแสหลักอยู่
ฉันว่าคอนเซปต์นี้ (ในบทความ) น่าสนใจ แต่ก็ผิดหวังเล็กน้อยกับปัญหาอุปกรณ์และการที่ลองครั้งเดียวแล้วเลิกทันที
ผู้ให้บริการอย่าง Nebula หรือ Dante เสนอ whole-genome sequencing ที่ความครอบคลุม 30x หรือ 100x ได้ในราคาประมาณ 300 ดอลลาร์
ที่ mynucleus.com สามารถทำ whole-genome sequencing ได้ในราคา 500 ดอลลาร์จากการป้ายกระพุ้งแก้มเท่านั้น (ใช้โค้ดส่วนลด savraj10 ลดได้ 10%)
ฉันใช้ Nebula (ตอนนี้รีแบรนด์และแพงขึ้นแล้ว) จัดลำดับจีโนมให้คนในครอบครัวด้วย และขั้นตอนก็ง่ายพอสมควร
น่าเสียดายที่ตอนนี้ MinION Starter Kit ราคา 1,000 ดอลลาร์เลิกขายไปแล้ว และลิงก์ในบทความก็กลายเป็น 404
ถ้าจะทำ DNA sequencing เว้นแต่จะซื้ออุปกรณ์มาและจัดการทุกอย่างเองแบบออฟไลน์ทั้งหมด ไม่อย่างนั้นอย่าทำเลย
วิธีใช้กาต้มน้ำไฟฟ้าแทน PCR (thermocycler) นั้นตลกดี
ฉันอยากเห็นข้อมูลหลังจากกราฟ (2001~2015) ที่บอกว่าค่า sequencing ลดลงเร็วกว่ากฎของมัวร์
Dante กับ Nebula ชื่อเสียงไม่ค่อยดี และ ySeq ก็ต้องรอ 8 เดือน