Små, hurtige dna-læsere bliver fremtidens sensorer

Sidste år i maj måned fandt en skelsættende begivenhed sted. Det skete i en fjern regnskov i en bjergrig del af Tanzania, hvor en gruppe italienske forskere var ude for at kortlægge sjældne frøarter. I stedet for at medbringe kasser til - på traditionel vis - at indfange frøer, slå dem ihjel og tage dem med hjem, så havde de noget andet: en bærbar dna-afkoder.

Forskerne havde fundet en frø, som lignede en yderst sjælden art, en dværg-kvækker - også kaldet Arthroleptis xenodactyloides. I stedet for at gøre, som de plejede - slå den ihjel og tage den med hjem, skar de i stedet lidt af dens fingre (som gror ud igen) og udtrak dna til at afkode i deres dna-maskine MinIon.

Afkodningen skete under en teltdug på maskinen, der ikke er større end en cigaretpakke. Maskinen var koblet til en bærbar pc og en telefon, og på få minutter havde de data, som de sendte hjem. Via telefonen fik de bekræftet, at frøen var yderst sjælden, men det var ikke en typisk dværg-kvækker. Dens dna matchede kun med med 95 procent. Det betød, at de stod med en helt ny art.

Fundet af den nye art var én ting, men den virkelig skelsættende begivenhed var, at biologer for første gang havde vist, at artsbestemmelsen af dyr kan ske i felten med de nyeste dna-maskiner.

»Døren er blevet åbnet for MinIon, og pludselig kan vi se ind i en fremtid, hvor vi ikke behøver tage prøver med tilbage til laboratoriet af alt fra fossiler til dyr. Normalt ville vi jo befinde os i det klassiske paradoks, at hvis vi fandt en helt ny frø, så ville vi først vide det med sikkerhed, når den lå død hjemme i laboratoriet. Nu kan vi få viden på stedet og lade den leve videre,« siger professor Massimo Delledonne, der var en af de ledende forskere på ekspeditionen, der fandt sted i samarbejde med MUSE, museum for videnskab og biodiversitet, i Trento i Italien.

Fra fattige i Afrika til en tur i rummet

Den håndholdte dna-læser MinIon har spredt sig med rasende fart til forskningsmiljøer flere steder på kloden. I øjeblikket sejler et hold af australske og asiatiske forskere rundt i Stillehavet med en MinIon om bord, som de bruger til at jagte dna fra marine dyr i vandprøver. I stedet for at tage prøver med hjem og risikere at opdage, at de hele tiden sejlede på den forkerte rute, kan de nu planlægge deres rute i undervejs, alt efter om de finder spor efter de dyr, som de jagter.

MinIon er også blevet brugt under ebola-udbruddet i Afrika til at diagnosticere syge, og under zika-udbruddet i Brasilien. Også hospitaler eksperimenterer med MinIon, ligesom forskere ved Royal Botanic Garden i Surrey forsøger at bruge MinIon til at artsbestemme planter og udforske deres stamtræ. Endelig bliver MinIon sendt op til astronauterne på ISS i juni om bord på rumfartøjet Cygnus CRS OA-5.

Fire klare fordele ved MinIon

MinIon har grebet forskernes interesse af flere årsager:

1) Den er super billig. Faktisk koster en maskine med et startsæt flow-celler og software kun 6.500 kroner. 2) Den er ultralille i modsætning til de traditionelle sekventeringsmaskiner, der ligner store laserprintere fra 90’erne. 3) Den leverer resultater på meget kort tid, sekunder eller minutter, alt efter opgaven, i modsætning til de store maskiner, som typisk bruger flere timer. 4) Den leverer lange reads (sekvenser af afkodet dna red.), og ikke korte - det kræver lige en forklaring:

Hvor det førende gensekventeringsfirma Illumina producerer korte reads med længder på kun nogle hundrede basepar, producerer MinIon reads med længder på mellem 5.000 og 10.000 basepar. I sekventeringseksperternes verden er lange reads oftest at foretrække, for når analytikerne skal sammensætte de mange reads til en lang kode, svarer det til forskellen mellem at samle det samme puslespil med 10 store brikker eller med 1.000 små.

MinIon virker groft sagt ved at trække dna gennem en slags hul, en såkaldt nanopore, som er en kunstig membran, ligesom membraner, der omgiver levende celler. Ved at sætte strøm til membranen og trække dna-tråden gennem den kan forskerne aflæse de enkelte basepar som spændingsforskelle, på samme vis et magnetisk læsehoved aflæste trådene i de gamle kassettebånd.

Læs mere om teknologien bag MinIon her

'Vi troede, at det var en joke'

MinIon bliver spået til at revolutionere et hav af forskningsområder om nogle år, og da den blev præsenteret første gang, troede mange forskere, at det var en slags aprilsnar - også ph.d.-studerende Jos Kiel­gast fra Københavns Universitet, der i dag har en liggende i skrivebordsskuffen:

»Den var jo fuldstændig revolutionerende på alle måde i alt fra størrelse til hastighed. Vi troede faktisk, at det var en joke, da vi hørte om den første gang. Også selv udrulningen af den er revolutionerende. Den blev jo lanceret, før den var færdigudviklet, fordi man skabte et community af forskere, der så samarbejdede om at forberede den,« siger han.

Endnu er MinIon stadig i sin udvikling. Derfor bliver den endnu kritiseret for at have en for høj fejlrate. Men den er i hastig forbedring. Ved lanceringen var fejlraten 20 procent. Det betød, at MinIon kun læste baseparrene rigtigt 80 procent af gangene. Derfor måtte forskerne sekventere samme tråd igen og igen for at eliminere fejl. I dag er fejlraten ved at være nede på 5 procent.

Flere fremtidsperspektiver

Rasmus Kirkegaard fra Aalborg Universitet er en af de danske forskere, der bruger MinIon i sin forskning, for han har brug for de lange reads, som ikke kan skaffes med andre teknologier. Hans forskning går ud på at detektere bakterier, og ved at kombinere MinIons lange reads med Illuminas korte reads kan han skabe et mere præcist billede af bakterier i sine prøver.

Han ser MinIon-teknologien som en metode til at overvåge bakterier i alt fra drikkevand til biogassystemer i fremtiden:

»I dag ved vi først, om der er bakterier i drikkevandet, når folk er blevet syge, men med real-time-overvågning af bakterier kunne vi få en advarsel, så snart bakterierne optræder i rørene,« siger Rasmus Kirkegaard, der samarbejder med Grundfos om at etablere et projekt med det fokus.

I Italien spår professor Massimo Delledonne en lignende fremtid. Han arbejder i dag på det biovidenskabelige fakultet på University of Verona, hvor han forsøger at videreudvikle metoderne.

»Fejlraten er stadig høj, men retningen for teknologien er klar: Med små sekventeringsmaskiner, der giver data i real-time, har vi sensorer, som kan bruges i lufthavne og fly til at stoppe spredning af sygdomme, og i lægernes operationsrum kan de afsløre om bakterier er til stede, der kan skabe infektioner. Jeg tror, at teknologien er klar om tre til fem år, og så vil vi se de første sensorer blive brugt til overvågning i byerne på samme måde, som vi ser målestationer rundt omkring til overvågning af luftforurening,« siger han.