Ein DNA-Sequenzer in jeder Tasche

Ein Biotech-Unternehmen baut Geräte, mit denen Menschen in abgelegenen Dschungeln, auf See oder sogar im Weltraum Gene entschlüsseln können – und sie sagen, sie fangen gerade erst an.

An Bord der Internationalen Raumstation ISS sechs Personen umkreisen derzeit den Planeten mit einer Geschwindigkeit von 17.000 Meilen pro Stunde und erleben täglich fünfzehn Sonnenauf- und -untergänge. Die Aussicht ist unschlagbar; das schwebende Gefühl, erhaben.

Aber viel Glück für sie wenn sie krank werden .

Es gibt nichts an Bord der ISS, das eine Krankheit definitiv diagnostizieren oder die Mikroben dahinter identifizieren kann. Stattdessen müssen sich kranke Astronauten damit begnügen, ihre Symptome dem medizinischen Personal vor Ort zu beschreiben. Sie haben keine Möglichkeit, mit Sicherheit zu wissen, ob ihre Krankheit bakteriell, viral oder etwas anderes ist oder ob ihnen eine Plünderung der begrenzten Antibiotikaversorgung der Station etwas nützen würde.

Wenn eine Astronautin den vollständigen genetischen Code von allem, was sie plagt, entschlüsseln könnte, könnte sie den beleidigenden Fehler identifizieren und herausfinden, ob er anfällig für Medikamente ist. Aber bis vor kurzem wäre dieses Szenario lächerlich unpraktisch gewesen. Sequenzer hatten alle die Größe und das Gewicht von Mikrowellen und Kühlschränken. Sie wären unmöglich an Bord einer Raumstation zu bringen und hätten die Reise wahrscheinlich nicht überlebt.

Dank einer britischen Firma namens Oxford Nanopore-Technologien , das stimmt nicht mehr.

Im Frühjahr 2014 veröffentlichte das Unternehmen einen USB-betriebenen Sequenzer namens MinION (ausgesprochen min-eye-on, nicht min-ee-un und weder gelb noch süß). Mit einer Länge von 10 cm, einer Breite von 2,5 cm und einem Gewicht von 87 Gramm ist es kleiner als die meisten Schokoriegel und Smartphones. Anfang des Jahres hielt ich einen in der Hand, mit Platz für weitere. Ein Wissenschaftler beschreibt es als den DNA-Sequenzer kannst du in deiner Jackentasche vergessen, was ich einmal gemacht habe.

Endlich haben wir einen Sequenzer, der klein genug ist, um ihn ins All zu schicken, sagt NASA-Ingenieurin Kristen John. Haben habe die MinION auf einem erdgebundenen Flugsimulator getestet , werden sie und ihre Kollegen im Juni eine zur ISS schicken, zusammen mit einigen DNA-Proben zum Testen. Wenn es in der Schwerelosigkeit genauso gut funktioniert wie am Boden, könnten Astronauten endlich ihren Gesundheitszustand in Echtzeit überwachen, was für zukünftige, ehrgeizige Missionen entscheidend sein könnte. Auf einer Reise zum Mars verlieren wir die Möglichkeit, Antibiotika nachzuliefern, sagt die Mikrobiologin Sarah Castro. Was wir mitnehmen, ist das, worauf wir beschränkt sind. Wir müssen wissen, was eine Infektion verursacht, um sie angemessen behandeln zu können.

Mit der MinION konnten Astronauten auch Experimente durchführen, um zu sehen Wie Bakterien auf Mikrogravitation reagieren , ohne ihre Proben zuerst in Fixiermittel eintauchen und zur Erde zurückbringen zu müssen. Und sie konnten Mikroben in der Luft, im Wasser und in der Nahrung der Raumstation untersuchen. Derzeit teilen wir der Crew sechs Monate später mit, was sie gegessen, geatmet und getrunken hat, sagt Sarah Castro.

Während eine MinION die Welt verlässt, sind andere bereits um die Welt gereist. Diese winzigen Maschinen und ihre Begleitgeräte werden die Welt der Genomik revolutionieren und demokratisieren, sie aus gut ausgestatteten Institutionen und Labors lösen und in die Gesellschaft insgesamt einbringen. Wenn Oxford Nanopore seinen Willen durchsetzt, werden Menschen in der Lage sein, DNA in Krankenhäusern und Dschungeln, Yachten und Sicherheitskontrollen, Klassenzimmern und Wohnzimmern zu sequenzieren. Aber wie die Geschichte gezeigt hat, war es nie einfach, sich durchzusetzen.

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Eine Nanopore ist genau das, wonach es sich anhört: ein kleines Loch. Typischerweise ist es ein winziges zapfenförmiges Protein mit einer hohlen Röhre im Kern, die nur wenige Milliardstel Meter breit ist. In den Geräten von Oxford Nanopore sitzt das Protein in einer synthetischen Membran, die in Flüssigkeit eingetaucht ist. Wenn eine Spannung an die Membran angelegt wird, fließen Ionen durch die Pore und erzeugen einen elektrischen Strom. Aber wenn etwas die Pore blockiert – sagen wir, ein DNA-Strang – werden die Ionen behindert und der Strom sinkt.

Die vier Bausteine ​​(oder Basen) der DNA – A, C, G und T – verändern jeweils den Strom durch die Nanopore auf unterschiedliche Weise. Indem Sie diesen Strom messen, können Sie die Sequenz eines DNA-Strangs entziffern, der sich wie ein Tickerband durch die Pore schlängelt.

Dies unterscheidet sich dramatisch von der traditionellen Sequenzierung, bei der Wissenschaftler DNA-Moleküle amplifizieren müssen, um viele identische Kopien zu erstellen, diese Kopien in kleine Stücke zu zerlegen, die Stücke einzeln zu sequenzieren und schließlich die fragmentierten Sequenzen zu einem zusammenhängenden Ganzen zusammenzusetzen. Es ist, als würde man ein Buch lesen, es transkribieren, zerkleinern und wieder zusammenkleben. Im Gegensatz dazu ist die Nanoporen-Sequenzierung wie das Lesen des unbeschädigten Textes von vorne bis hinten. DNA kann ohne Amplifikation oder Fragmentierung durch das Loch geschickt und in einem langen, kontinuierlichen Lauf sequenziert werden.

Legende hat es , David Deamer von der University of California, Santa Cruz, kam 1989 auf die Idee, als er auf der kalifornischen Interstate 5 fuhr; er war angeblich so beeindruckt, dass er anhalten musste, um es aufzuschreiben. Es hat ein Jahrzehnt gedauert, bis er und seine Kollegen das gezeigt haben sie könnten DNA einfangen , trichter es durch eine Nanopore und differenziere zwischen die verschiedenen Basen . Und Oxford Nanopore brauchte fast genauso lange, um einen robusten, funktionsfähigen Sequenzer basierend auf dieser Technologie zu entwickeln. (Deamer und andere Nanoporen-Pioniere sitzen in seinem Technologiebeirat.)

Der ursprüngliche Plan des 2005 gegründeten Unternehmens war es, ein Gerät zu produzieren, das anderen Sequenzern sehr ähnlich ist – eine große, sperrige Box namens GridION, die in den Worten eines Bloggers war rockt den VCR-machine-circa-1992-Look . Die Idee, es zu verkleinern, kam von Clive Brown, Chief Technology Officer, einem zappeligen und freimütigen Mann, der einmal beschrieben wurde als der ehrlichste Typ in der gesamten Next-Gen-Sequenzierung . Wenn ich ihn nach den Ursprüngen von MinION frage, sagt er: „Sie können Illumina danken und beziehen sich auf das in San Diego ansässige Unternehmen, das den Sequenzierungsmarkt anführt. Ich überlege verzweifelt, wie ich sie zu Fall bringen kann.

In einem früheren Job half Brown bei der Entwicklung eines DNA-Sequenzers für eine Firma namens Solexa, die 2007 gegen seinen Willen an Illumina verkauft wurde. Der Verkauf trug dazu bei, Illumina in einen Sequenzierungs-Moloch zu verwandeln, dessen Maschinen fast jedes große Sequenzierungszentrum in . antreiben der Welt, was dem Unternehmen ein fast unerschütterliches Monopol in der Branche verschafft. In 2009, dieser Koloss investierte 18 Millionen US-Dollar in Oxford Nanopore für das Recht, die Technologie des aufstrebenden Unternehmens zu kommerzialisieren, und ihr CEO hatte Gelegenheit, den Vorstandssitzungen von ONT beizuwohnen. Er hat alles, was ich gesagt habe, gekackt, sagt Brown. Also würde ich weggehen und denken: Was ist das Einfachste, was ich machen kann, das funktioniert und das nicht wie eine Illumina-Box aussieht. (Illumina lehnte es ab, diese Geschichte zu kommentieren.)

Braun enthüllte die MinION der Welt im Februar 2012 auf einer Konferenz in Florida. Er verbrachte die meiste Zeit damit, über das traditionelle GridION zu sprechen und erwähnte in seinen letzten beiden Folien nur das kleinere Gerät. Fast wie eine Pointe, sagt er. Es war ein Megatonnen-Ankündigung , sagte ein Wissenschaftler. Ein anderer hat getwittert : Ich fühlte eine große Störung in der Kraft, als ob eine Million Erleuchten Anleger schrien vor Schmerzen. Ein begeisterter Bursche versuchte, in Browns Hotelzimmer einzubrechen.

Entscheidend ist, dass MinION durch und durch ein Oxford Nanopore-Produkt war. Es benutzte a Variation der Nanoporen-Sequenzierung das war nicht durch den Deal des Unternehmens mit Illumina abgedeckt, und die beiden trennten 2013 ihre finanziellen Beziehungen. Aber auch Oxford Nanopore trennte sich versehentlich von der wissenschaftlichen Gemeinschaft. In Florida hatte Brown behauptet, dass die MinION Ende 2012 auf den Markt kommen würde. Das war es nicht. Das Unternehmen wurde von Produktionsproblemen heimgesucht, die zu langen Verzögerungen führten. Schlimmer noch, sie verstummten, was sie sowohl Glaubwürdigkeit als auch Unterstützung kostete. Viele entfremdete Wissenschaftler haben die MinION als Vaporware abgetan.

Brown entschuldigte sich nicht und nahm Berichten zufolge die Kritiker zur Kenntnis. Clive hat eine Liste. Eine Liste von Leuten, die sagt, dass er sich darum kümmern wird, wird keine MinION bekommen, wenn sie herauskommt. schrieb der Mikrobiologe Nick Loman 2013 . Ich kann nicht sagen, ob er scherzt. Ein anderer Genetiker, der nicht namentlich genannt werden wollte, sagte mir: Viele von uns haben Bedenken, das Unternehmen zu kritisieren, weil uns der Zugang zur Technologie willkürlich entzogen werden könnte.

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2015 ging der größte Ebola-Ausbruch der Geschichte in sein zweites Jahr. Mehr als 10.000 Menschen waren gestorben und viele weitere hatten sich infiziert. Wissenschaftler und Gesundheitspersonal machten solide Fortschritte bei der Eindämmung der Epidemie, aber ein entscheidendes Element fehlte: Ebola-Genome .

Durch die Sequenzierung von Viren bei einem Ausbruch können Wissenschaftler diagnostische Tests und Impfstoffe effektiver entwickeln. Durch den Vergleich von Viren von verschiedenen Orten und Zeiten können sie herausfinden, wie viele Stämme im Spiel sind und ob sie mutieren, und entsprechende Bekämpfungsmaßnahmen planen. Durch den Vergleich von Sequenzen verschiedener Patienten können sie herausfinden, wer wen infiziert und diese Übertragungswege begrenzen.

Aber im Verlauf des Ebola-Ausbruchs wurden nur a geringe Anzahl viraler Genome sequenziert worden war. Das Virus hatte abgelegene Regionen befallen, daher mussten Proben zur Analyse an entfernte Labors geschickt werden. Verständlich, dachte Nick Loman , aber unerträglich. Anstatt darauf zu warten, dass die Proben des Ausbruchs in den Sequenzierungseinrichtungen eintreffen, warum nicht die Einrichtung zum Ausbruch bringen?

Als Oxford Nanopore im Februar 2014 das MinION schließlich über ein Early-Access-Programm veröffentlichte, war Loman einer von Hunderten von Wissenschaftlern, die sich anmeldeten. Als Gegenleistung für eine Kaution von 1.000 US-Dollar erhielten sie ein MinION und eine regelmäßige Lieferung von Durchflusszellen – die Einweg-Wafer, die den Sequenzer antreiben und die jeweils 512 Nanoporen enthalten. Diese frühen Versionen litten unter Versandproblemen, unzuverlässigen Reagenzien und technische Schwierigkeiten , was mehrere Wissenschaftler dazu zwingt, sie frustriert aufzugeben. Aber Loman blieb hartnäckig.

Im Juni 2014 nutzte er das MinION, jetzt debuggt und verfeinert, um erfolgreich zu studieren zu Salmonellen Ausbruch in einem Krankenhaus in Birmingham. Und im April 2015 reiste sein Schüler Joshua Quick mit drei MinIONs, unerklärlicherweise Ribz, Chicken und Brisket genannt, nach Guinea. Er brachte auch drei Laptops, einige chemische Reagenzien, eine Zentrifuge und einen Thermocycler mit, der einem Laborkollegen gestohlen wurde – a mobiles diagnostisches Labor die in nur zwei Koffer passen und auf zwei kleinen Schreibtischen aufgeklappt werden. Innerhalb von zwei Tagen nach der Ankunft begann Quick mit der Sequenzierung von Ebola.

Während des Ausbruchs hat sich die MinION bewährt. Traditionell müssen Wissenschaftler Hunderte von Proben sammeln, sie verschicken und warten, bis die Ergebnisse nach Tagen oder Wochen vorliegen – ein langsamer Prozess, der für die Unmittelbarkeit einer Epidemie ungeeignet ist. Aber der MinION liefert schnell Ergebnisse; In einem Fall ging Quick in weniger als 24 Stunden von der Probe zur Sequenz. Und diese Sequenzen entstehen in Echtzeit, fast sobald die DNA-Stränge die Nanoporen passieren. Da diese Daten generiert werden, sind sie analysierbar, sagt Loman. Es ist ein interaktiverer Ansatz für die Sequenzierung.

Über sechs Monate, das Team sequenzierte 142 Ebola-Genome , die ihre Kollegen nutzten, um die letzten Spuren des Ausbruchs zu überwachen. Wie Lauren Cowley, die das Pop-up-Labor von Quick übernahm, mir letztes Jahr sagte: Ich habe aus erster Hand gesehen, wie Epidemiologen in der Lage sind, Übertragungswege in Echtzeit genau zu verfolgen und dann die Kette abzufangen, um eine weitere Übertragung des Virus zu verhindern .

Im Februar 2016 erklärte die Weltgesundheitsorganisation die Epidemie für beendet. Doch gerade als Ebola nachließ, stieg ein weiterer Gegner auf. Die große Bedrohung in diesem Jahr ist das von Mücken übertragene Zika-Virus, das mit einem Geburtsfehler namens Mikrozephalie und anderen Erkrankungen in Verbindung gebracht wird. Zika hat sich in ganz Amerika und im Pazifik verbreitet, und die Genetiker spielen wieder Aufholjagd. Laut Loman gibt es wahrscheinlich etwa 10 oder 15 öffentlich verfügbare Sequenzen, von denen keine aus dem Nordosten Brasiliens stammt, wo der Ausbruch begann. Es ist logistisch ziemlich schwierig, auf Proben zuzugreifen, und es ist sehr schwierig, sie zur Sequenzierung aus Brasilien zu versenden, fügt er hinzu.

Also nimmt Loman wieder einmal Sequenzer mit zu den Samples. In etwa einem Monat wird sein Team einen Wohnwagen mit MinIONs und anderer Laborausrüstung beladen und ihn durch die brasilianische Küste fahren, von Belem im Norden bis nach Salvador im Osten. Er hofft, dass dieser Roadtrip mehr über die Herkunft von Zika verrät, wie oft es nach Amerika gelangt ist, wie es mit dem Immunsystem interagiert, wie viele Stämme es gibt und ob es mit anderen Viren interagiert. Dafür haben wir derzeit kein richtiges Gespür, sagt er. Bei Zika ist so wenig bekannt.

Die MinION ist nicht die einzige Option für ein solches Projekt. Im Jahr 2013 segelte eine Gruppe von Wissenschaftlern mit einem traditionelleren Sequenzer in Mikrowellengröße rund um die Southern Line Islands , einige der abgelegensten Landmassen der Erde. Aber der MinION ist so leicht, robust und reaktionsschnell, dass es die Dinge einfach einfacher macht, sagt Loman. Ein Team brachte es in den tansanischen Regenwald um Frösche zu identifizieren . Ein anderer plant, es diesen Sommer an Bord eines Meeresforschungsschiffs im Indischen Ozean zu bringen. John und Castro schicken es ins All.

Trotz seiner Stärken kann der MinION weder in Bezug auf Kosten noch Leistung mit den Top-Sequencern von Illumina konkurrieren. Es kann die winzigen Genome von Viren und Bakterien leicht sequenzieren, aber es ist zu langsam, um die viel größeren Genome von Tieren oder Pflanzen zu verarbeiten. (Zum Vergleich: Das menschliche Genom ist tausendmal größer als das des Bakteriums E coli , und das Weizengenom ist noch fünfmal größer.)

Das könnte sich ändern, da Oxford Nanopore rollt Fast Mode aus —ein Hardware- und Software-Upgrade, das die Geschwindigkeit des MinION um das 4- bis 7-fache erhöht. Das Unternehmen führt auch die PromethION – der größere, bösere Cousin des MinION. Die 144.000 Nanoporen wurden für die Sequenzierung im großen Maßstab entwickelt und könnten jeden Tag 120 Gigabyte an Daten produzieren, was 40 menschlichen Genomen entspricht. Die erste dieser Bestien wurde bereits ausgeliefert, weitere werden folgen.

Qualität ist jedoch genauso wichtig wie Quantität, und Bedenken hinsichtlich geringer Genauigkeit haben das MinION geplagt seit seiner Veröffentlichung . Ein Illumina-Sequenzer hat eine Fehlerquote von nur 0,1 Prozent. Im Gegensatz dazu erzielte Loman bei seiner Ebola-Arbeit Fehlerraten von etwa 10 Prozent (die allerdings sanken, wenn er jedes Genom mehrmals las und die Ergebnisse kombinierte). Die Fehlerquote liegt jetzt im einstelligen Prozentbereich in unseren Händen, und wir sind nicht am Limit, fügt Brown hinzu.

Auch die Technik muss robuster werden. Im Moment halten die Durchflusszellen ein paar Monate – gut genug für viele Anwendungen, aber nicht etwa für die außerirdischen Ambitionen der NASA. Sie sind auch teuer: 500 US-Dollar pro Stück, wenn Sie sie in großen Mengen kaufen. Wenn sie ein Fünfer wären, wäre das großartig, sagt Loman. Ein Rückgang dieser Größenordnung ist nicht undurchführbar, aber Oxford Nanopore hat andere finanzielle Sorgen. Im Februar, Illumina eine Klage eingereicht gegen sie mit der Behauptung, dass sie eine bestimmte Nanopore verwenden, die die Patente von Illumina verletzt – eine Behauptung, die CEO Sanghera hat bissig verneint . (Es ist erfreulich, dass die kommerzielle Bedeutung der Oxford Nanopore-Produkte vom Marktmonopolisten so öffentlich anerkannt wird, sagte er.)

Ob dies bedeutet, dass ein konkurrierender Nanoporen-Sequenzer in Arbeit ist, ist unklar. Auch wenn Oxford Nanopore nach wie vor das einzige Unternehmen ist, das solche Technologien herstellt, und selbst wenn es seine technischen und rechtlichen Herausforderungen meistern kann, wird es vor einem letzten Hindernis stehen: Ihr kleiner Sequenzer, der immer noch auf die Besonderheiten der Laborwissenschaft angewiesen ist. Sie können nicht einfach einen Tropfen Blut oder Wasser in die Fließzellen tropfen; Sie müssen die Probe zuerst vorbereiten. Dieser Prozess erfordert Chemikalien und Geräte wie Zentrifugen, Thermocycler und Pipetten, ganz zu schweigen von einer Ausbildung in Molekularbiologie. Und wenn die Sequenzen fertig sind, benötigen Sie spezielle Software und Fachwissen, um die Strings von As, Cs, Gs und Ts zu interpretieren.

Das bedeutet, dass der MinION überall hin mitgenommen, aber von niemandem benutzt werden kann. Oder zumindest noch nicht.

Was bedeutet VolTRAX? Ich frage Clive Brown. Es bedeutet nichts; Ich habe es mir gerade ausgedacht, antwortet er. Das funktioniert hier so, dass ich sage, wir brauchen einen Namen, und es herrscht Stille im ganzen Unternehmen. Ich sage: ‚Was ist damit?‘ und sie alle kacken es. Ich sage: „Also, was sind Ihre Vorschläge?“, und es kommt nichts. Also bleiben wir bei meinem Namen, und so sind wir bei MinION gelandet.

Die Etymologie von VOLTRAX mag eine Farce sein, aber sein Zweck ist es nicht. Dieses Add-on in Dominogröße für den MinION wurde entwickelt, um eine biologische Probe – beispielsweise Körperflüssigkeiten oder Bodenabstriche – für die Sequenzierung vorzubereiten. Es bewegt Flüssigkeit durch ein Netzwerk feiner Kanäle, bombardiert sie mit chemischen Reagenzien, um DNA zu extrahieren, und lädt diese DNA in das MinION. Wir verbringen viel mehr Zeit im Labor mit der Vorbereitung von Proben als mit der Sequenzierung, sagt Loman. Wenn, und es ist ein großes Wenn, Sie die klinische Probe auf den Chip legen könnten, der alles für Sie erledigt, wäre dies von großem Vorteil.

VolTRAX soll diesen Sommer an frühe Nutzer ausgeliefert werden. Jon Wetton , ein Genetiker und Forensiker an der University of Leicester, will damit den illegalen Wildtierhandel bekämpfen, indem er verräterische Gene sequenziert, die als Identitätsausweis für verschiedene Arten dienen. Naturschützer haben diese Technik bereits verwendet , bekannt als DNA-Barcoding , um Quellen von Elefantenelfenbein aufzuspüren oder Walfleisch zu identifizieren, das sich als Sushi ausgibt. Aber Proben müssen zur Analyse verschickt werden, und es dauert Wochen oder Monate, um die Ergebnisse zurückzubekommen, sagt Wetton. Das geht nicht bei leicht verderblichen Gegenständen oder wenn Sie einen Verdächtigen in Gewahrsam haben. Aber mit einem Vor-Ort-Test könnten Sie beschlagnahmen, festnehmen oder etwas dagegen unternehmen.

Mit einem Nanoporen-Sequenzer könnten Inspektoren den Unterschied zwischen einem Stück Rindfleisch oder Buschfleisch von bedrohten Affen und Affen erkennen. Sie könnten das Blut an den Werkzeugen eines mutmaßlichen Wilderers analysieren, um die Identität der letzten Tiere zu enthüllen, die er geschnitten hat. Sie könnten herausfinden, ob beschlagnahmter Kaviar zu legitimen Fischarten oder gefährdeten Stören gehört. Sie könnten mit dem gleichen Test eine ganze Reihe schwerwiegender Probleme bei der Wildtierkriminalität beantworten, sagt Wetton.

Bleibt noch das große Problem der Analyse der Daten, aber Oxford Nanopore hat auch dafür eine Lösung: einen Online-Hub namens Metrichor , wo Menschen sich mit vorgefertigten Apps verbinden können, um DNA-Sequenzen zu analysieren. Eine solche App, die von Oxford Nanopore selbst entwickelt wurde, heißt What’s In My Pot? oder WIMP . Es nimmt Sequenzen und identifiziert die Organismen, zu denen sie gehören. Das Team hat es bereits im Feld getestet auf Mikroben aus einem abwasserverseuchten Fluss hinter ihrem eigenen Gebäude und auf nicht pasteurisierte Milch von der Ladefläche eines New Yorker Lastwagens.

Auch Drittanbieter können Merichor-Apps entwickeln. Es ist der klassische iPhone-Ansatz; Sie geben jedem ein Entwickler-Kit, sagt Dan Turner, Anwendungsleiter bei Oxford Nanopore. Veterinärunternehmen entwickeln eine App, die den Stammbaum Ihres Hundes überprüfen kann. Und wir hatten jemanden, der Kacke sequenzieren wollte, um den schändlichen Hund in seiner kalifornischen Nachbarschaft zu identifizieren.

Da der Dienst Cloud-basiert ist, könnte jeder mit einer Internetverbindung und einem MinION, wie Oxford Nanopore hofft, alles und überall sequenzieren. Ohne Labore oder Laborkenntnisse könnte ein Milchviehhalter die Qualität seiner Milch überwachen. Ein Astronaut könnte ihre Luft und ihr Wasser untersuchen. Eine Supermarktkette könnte in ihrer Nahrungskette nach gefährlichen Bakterien suchen.

Die Schüler konnten sich auch im Sequenzieren versuchen. An der Columbia University, Sophie Zaaijer vor kurzem einen Genomik-Kurs entwickelt wo Studenten und Masterstudenten Lebensmittelproben aus New Yorker Restaurants, Supermärkten und Zaaijers Lunchbox sequenzierten. Anschließend identifizierten sie alle darin enthaltenen Mikroben mithilfe von WIMP. Normalerweise würden solche Studenten nur Theorie lernen und Daten manipulieren. Diesmal könnten sie sich wirklich mit der Technologie verbinden, sagt Zaaijer. Sie hielten dieses Gerät in der Hand und konnten sehen, wie DNA in Echtzeit durch die Poren gelesen wurde.

Ähnliche Pläne gibt es weltweit. In einer von Genetikern durchgeführten Umfrage unter Pädagogen Karen James träumten die Befragten davon, Nanoporen-Sequenzer zu verwenden, um Studenten, Schüler und die Öffentlichkeit dazu zu bringen, alles zu untersuchen, von Federn in Maori-Umhängen über Kot von Tieren in Safariparks bis hin zu ihrem eigenen Rotz. Wenn jede Schule eine MinION hätte und Daten ins Internet streamen würde … die Auswirkungen sind absolut umwerfend, sagt Joe Parker aus den Royal Botanic Gardens in Kew. Aber um für einen Citizen Scientist attraktiv zu sein, muss der Preis sinken.

Optimistisch ist er dennoch. Vor zehn Jahren kursierten einige Science-Fiction-Sachen über dieses Nanoporen-Ding. Vor fünf Jahren hatte noch niemand von Oxford Nanopore gehört, und viele dachten, sie seien weg. Jetzt wissen wir, dass es definitiv funktioniert. Der Ball liegt in ihrem Spielfeld, um zu zeigen, dass sie ihre Preise senken und skalieren können.

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Kris Griffin war 32, als er mit einem Rückenleiden zu seinem Arzt ging und die Diagnose chronische myeloische Leukämie stellte. Zum Glück haben zwei Medikamente – zuerst Imatinib und jetzt Dasatinib – seinen Krebs mit minimalen Nebenwirkungen unter Kontrolle gehalten. Acht Jahre später geht es Griffin gut. Er ist ein Bildungsberater mit Sitz in Kidderminster, England; Ehemann eines Partners, den er kurz nach seiner Diagnose geheiratet hat; und Vater eines vierjährigen Jungen. Ich lebe ein normales Leben, sagt er.

Geheilt ist er allerdings nicht. Seine Krankheit wird durch die abnormale Verschmelzung zweier Chromosomen verursacht, wodurch ein chimäres Gen namens BCR-ABL entsteht, das seine Blutzellen unkontrolliert teilen lässt. Genau das hemmt Dasatinib. Um zu überprüfen, ob das Medikament noch wirkt, muss Griffin mehrmals im Jahr ein Krankenhaus aufsuchen, damit seine Ärzte die Anzahl der Zellen messen können, die das fusionierte Gen tragen. Die Reisen fressen seine Tage, und es kann Wochen dauern, bis die Ergebnisse ankommen. Und es gibt keine größere Erinnerung für jemanden, dass es ihm schlecht geht, als durch diese Türen zu gehen, sagt Griffin.

Er hat schon immer davon geträumt, die Tests selbst und bequem von zu Hause aus durchzuführen, genauso wie Menschen mit Diabetes können ihren eigenen Blutzuckerspiegel überwachen. Vor einem Jahr habe er auf einer Konferenz in London diesen Kerl mit diesem kleinen Gerät auf der Bühne gesehen, erinnert er sich. Das war Clive Brown.

Brown sprach über die Verwendung von Nanoporen-Sequenzierung bei Menschen, um die DNA-Stücke zu analysieren, die von unseren sterbenden Zellen in unseren Blutkreislauf freigesetzt werden. Für Krebsforscher ist das zirkulierende DNA wirkt wie eine flüssige Biopsie , die Aufschluss darüber geben kann, ob Tumore fortschreiten, auf Behandlungen ansprechen oder Resistenzen gegen Medikamente entwickeln. Viele Unternehmen, Inklusive Illumina , beteiligen sich an der Aktion und entwickeln blutbasierte Instrumente für die Krebsvorsorge.

Aber Brown glaubt, dass die Leute ihre zirkulierende DNA selbst überwachen könnten, wenn MinION und VolTRAX billig und genau genug werden. Wir müssen den Preis um eine Größenordnung senken, aber es gibt keinen Grund, warum Sie nicht täglich eine Momentaufnahme Ihres Blutinhalts machen könnten, sagt er mir. Er möchte die Welten der DNA-Sequenzierung und der Quantifiziertes Selbst . Meine Absicht ist es, den Menschen ein Werkzeug an die Hand zu geben, mit dem sie ihre eigene Biologie verstehen und ihre eigenen Schlüsse daraus ziehen können.

Griffin leuchtete auf, als er Browns Vision hörte. Vielleicht er könnten überwacht schließlich seine eigenen BCR-ABL-Werte und lädt die Daten einfach zu seinen Ärzten. Die Kraft, die es den Patienten geben könnte ... Psychologisch fühlt es sich so wichtig an, sagt er. Seitdem arbeitet er mit Oxford Nanopore zusammen, und obwohl sie ihm versichert haben, dass die Technologie noch Arbeit braucht, lässt er sich nicht beirren. Ich möchte das Versuchskaninchen sein – die erste Person mit CML, die mein Blut zu Hause überwacht. Ich denke, das wird so vielen Menschen alles bedeuten.

Eine tägliche Überwachung kann auch Anzeichen einer Infektion zeigen, bevor Symptome auftreten. Und es könnte Antworten auf Fragen geben, die noch nicht gestellt wurden. Niemand habe über lange Zeit zirkulierende DNA systematisch inventarisiert, auch nicht bei nur einer Person, sagt Brown. Was ist die Grundlinie? Es ist im Moment unbekannt. Aber wir können die Daten abrufen.

Es besteht immer noch die Herausforderung, DNA aus Ihrem Blutkreislauf und in einen VolTRAX zu bekommen. Sie wollen ein einfaches, idiotensicheres Probenahmegerät – eine Art Stift mit einer verbrauchbaren Spitze, die alle Gubbins für die Nanoporen enthält, sagt Brown. Du berührst damit etwas, das bereits nass ist – ein Tropfen Spucke oder ein bisschen Essen – und es erledigt den Rest für dich. Es könnte sanft in die Haut einstechen oder einfach die Flüssigkeiten entnehmen, die aus den Kapillaren austreten und zwischen den Hautzellen zirkulieren; Blutzuckermessgeräte, bei denen Sanghera Pionierarbeit geleistet hat, verwenden bereits beide Methoden.

Ein Probenahmegerät könnte auch verwendet werden, um in einer Lebensmittelproduktionslinie auf Viren in der Luft oder Bakterien zu überprüfen. Es braucht vielleicht nicht einmal einen menschlichen Operator; Programmieren Sie es einfach so, dass es regelmäßig sammelt, und laden Sie die Daten in die Cloud hoch. Das würde das machen, was Brown das nennt Internet der Lebewesen : ein Netzwerk von Sensoren, die die Welt sequenzieren.

Was wäre, wenn Sie jeden Beef-Burger verfolgen könnten? Was ist das, woher kommt es und was wächst darauf? er fragt. Was wäre, wenn von jedem Paket, das über einen Flughafen geht, ein Tupfer abgenommen würde? Oder die Luftversorgung in einem Krankenhaus? Wir haben Interesse von Pflanzenzüchtern, die verfolgen möchten, was mit ihren Pflanzen passiert. Ich habe mit jemandem aus der Rüstungsindustrie gesprochen, der in der Londoner U-Bahn Krankheitserreger in Echtzeit nachweisen wollte.

Im Moment scheinen diese Ideen weit entfernt und vielleicht weit hergeholt. Andererseits war das Konzept eines tragbaren Sequenzers vor fünf Jahren oder davor die Idee, DNA zu lesen, indem man sie durch ein winziges Loch zwingt. Niemand habe geglaubt, dass es überhaupt funktionieren würde, sagt Brown. Ob Oxford Nanopore erfolgreich ist oder nicht, Joe Parker sagt, dass ihre Bemühungen ihre Konkurrenten dazu zwingen werden, ihr Spiel zu verbessern und frisches Blut in einen Markt zu bringen, der Stagnation riskiert.

Wie auch immer das Ergebnis ausfallen wird, er sieht voraus, dass wir in ein zweites Zeitalter der Genomik eintreten werden, in dem Sequenzer wie Teleskope werden: ein ehemaliges wissenschaftliches Boutique-Instrument, das Sie jetzt in einem Spielzeugladen kaufen können. Das würde nicht nur die Sequenzierung allgegenwärtig machen, sondern auch die Menge an öffentlich zugänglichen Genominformationen enorm erhöhen. Es ist der Unterschied zwischen der Astronomie mit nur einer Handvoll Teleskopen und jedem, der eines hat, sagt er. Es ändert die Menge des Himmels, die Sie sehen können.