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基因测序走进中学课堂:看这家创业公司怎么玩?

如今,很多孩子在非常小的年纪就已经接触了复杂的技术,例如,四岁的小孩能够自如地操作其父母的平板电脑,幼儿园小朋友也可以通过编程语言(如ScratchJr)来探索编码世界。近期创立的PlayDNA公司开始将DNA测序作为一种教育课程或游戏,将DNA及大数据分析引入中等教育。

PlayDNA公司由纽约基因组中心的博士后研究员Sophie Zaaijer和哥伦比亚大学基因组学和计算机科学助理教授Yaniv Erlich共同创立,公司在月初时将一款小型DNA测序仪(Oxford Nanopore的MinION测序仪)带入了七年级学生的教室,进行一项称作“The Secret Life of Pickles”的科学实践课,孩子们从二月份就开始了这个活动。这大概是第一次有十二三岁左右的孩子在学校进行DNA测序。

PlayDNA公司和格林威治村的私立学校Village Community School(VCS)合作开展了这项试点项目,公司计划向全国的初中和高中提供涉及DNA测序的研究单元,包括一项课程、一套基本设备和数据分析软件。从长远角度考虑,公司可能还将推进大规模居民科学项目,包括多个学校并将范围扩展到大学和其他客户群体。

为了制定下个学年的课程计划,PlayDNA日前与课程专家Audrey Boklage进行合作来开发这项试点项目。Zaaijer表示:“课程开展的形式不需要教师一定这方面的专家,每个教师都应该接触这个课程,并能够很快理解并教授。”

Oxford Nanopore希望更多科学实验室以外的客户能接触到其技术,这个想法与PlayDNA公司的目标正好一致。Oxford Nanopore在官网上发文称“将来每个理工科学生都应该能够将DNA测序技术作为一个工具使用,去学习生物并参加一些严谨的科学项目,在研究中发挥他们的作用。”

PlayDNA 公司的执行CEO Zaaijer和Erlich在两年前已经在教育环境中探索过纳米孔测序的推广,并将纳米孔测序作为哥伦比亚大学本科生和研究生“Ubiquitous Genomics”课程的一部分,其中超过一半的学生都有计算科学背景。去年,他们在eLife上公布了这一项目的细节。

Zaaijer谈道,这项技术也已经足够成熟,同时该项目为开发适合初高中生的类似课程奠定了基础。项目的核心并不是仅仅向年轻人提供一些新鲜的基因组学工具,还将以一种吸引人的方式教导他们如何生成并分析大型数据集,这个技能在当今的数据驱动时代变得日益重要。因此,PlayDNA提供的课程不仅包含了生物学课程,还包含了编码指令,让学生能正确分析他们的测序数据。

然而向学龄学生教授数据科学是个很大的挑战, Zaaijer说:“如果你给12岁或15岁的学生一个10000行50列的表格,他们一开始会觉得很恐慌,接着会感觉非常无聊,因为这些数据不会跟他们交流,所以参与度非常低下。”

她认为Oxford Nanopore测序仪的优势在于能够实时产生数据,学生可以电脑观察到如此庞大的数据集是如何产生的。“这对于学生来说非常有意义,因为他们在课堂上就能够了解这些数据的来源。”她表示,“这个项目的目标不是让数据科学成为一门独立教授的学科,而是将其成为一个从问题到答案的媒介。”

关于这项持续的试点项目,Zaaijer与Village Community School的教师Hristo Pepelanov达成了合作。Pepelanov说:“当我听说这个项目时,我认为‘我们必须做这个!基因组学是一个爆炸性的领域。”而且他认为DNA测序项目非常契合他所教授的课程,在为期一年的课程中,他已经给七年级的学生教授了细胞生物学。此外,他也希望学生们能尽早接触基因组学和大数据分析,并能够教会学生一些工作技巧。

在"Secret Life of Pickles"课程中延伸了多个种类,包含了一系列实践项目,学生学习的主题包括发酵、微生物、细菌、分类学、DNA、基因组以及Oxford Nanopore技术的基础知识,包括离子电流的差异是如何转化为碱基识别信号。

在这一项目中,学生从细菌中提取了DNA,学习了如何使用微量移液器、连续稀释、pH值测量,并使用Python进行了编程。除了这些专业的内容,他们还将黄瓜放入试管中,学习利用含有及不含起始培养菌的卤水制作泡菜。

最后的实验是从泡菜中提取DNA进行测序,进而判断生长0天和6天的两个试管中生长的细菌种类。因为样本制备和建库目前仍然需要仪器,例如离心机,教室里没有这些设备,目前Oxford Nanopore公司正在开发一款样本制备设备来改善这个情况。

在上周的一节课程中,8名七年级学生正忙着为测序实验进行准备,练习用微量吸液管进行移液,就像一年级的研究生在实验室中一样。他们的桌子上摆放着很多MinION测序仪和流通池,让每个学生都能近距离观察仪器,并找到能够装载DNA样本的端口。

当进入测序阶段时,学生和老师围在MinION测序仪周围,将测序仪连接到笔记本电脑上,在移液比赛中表现最好的的两名学生将染料溶液加入流通池中,几分钟后,再加入DNA文库。在MinKnow软件中对样本进行命名后,按下“execute”,测序开始并进行数据记录。学生们还可以在屏幕上查看512个含有纳米孔的通道,在某个时间点,370个通道激活,20条DNA链通过这些纳米孔,学生们可以放大每个通道来观察由单个DNA分子引起的离子电流改变情况。

数据收集需要约三个小时,在接下来的课程中,学生会收到一个电子数据表,包含几千行数据,每一行数据都是来自一个DNA read,包含测序时间和质量等信息。每个read中还会包含分类识别数,代表DNA来自于哪种细菌。

学生们接下来会分析他们的数据,例如判断哪种细菌种类最丰富,含有起始培养菌群的样本和不含菌群的样本之间会存在哪些物种差异,以及细菌组成是如何随着时间变化的。在最后的报告中,他们还将学习如何用图表使数据变得可视化。一些学生表示,如果他们还可以进行测序,他们很想研究自己的DNA。

Zaaijer一直在观察这些课程的进行情况并不时帮忙解决问题,但她并没有直接参与授课。目前,她还在研究哪种教授的形式是最好的。例如,在今年的课程中关于Python编程的时间并不够,这使学生们无法利用编程技能分析数据,因此在下一年需要增加这一课程的时间。

PlayDNA公司计划在下一个学年将这一项目扩展到其他学校。Zaaijer表示她很愿意和学校讨论他们的需求,“这样我们才能做一些有意义并得到学校认可的事情。”

目前,公司的首要工作是深入开发课程和分析软件,包括建立一个在线的用户界面,该页面将具有定制化的分析流程和专用的可视化软件。

对高中而言,PlayDNA的课程需要调整,Zaaijer认为这并不是主要的挑战。她谈到:“最困难的其实是如何简化科学知识,一旦我们能够吸引十二三岁的孩子,那么一起都变得更简单了。换言之,让事情更复杂远不如让事情变得真正简单。”

PlayDNA公司计划向学校运输一套完整的测序组件,包括一台MinION测序仪、电脑转接器、微量吸液管、微量移液器、试管和试剂。此外,还有教学视频演示实验操作步骤。Zaaijer说,“我们需要尽量降低教师所面临的困难。据我所知,大部分教师没有时间去处理这些问题。”

目前,向学校的收费标准还没有确定,Zaaijer表示这完全取决于学校选择的课程数量以及学校希望参与实践科学课程的学生数量。老师可以在历时4个月的完成课程和耗时较短的的课程中进行选择。

基于Oxford Nanopore公司目前对MinION的定价,学校可能需要至少四位数美元的费用引进这些设备:一台MinION测序仪、两个流通池、测序试剂和清洗试剂,这其中还不包含公司的客户服务。Zaaijer 表示,PlayDNA正在与潜在投资者洽谈。此外,公司还与Oxford Nanopore公司沟通潜在的合作,但其中并没有涉及PlayDNA的课程及试点项目的开发问题。

Oxford Nanopore公司在官网上表示,其正在“资助一部分教育项目,我们可以了解这些教育家是如何使用这些技术,哪种套件是最有用的,以及他们所需的资助形式。我们希望在2017年能够扩展我们和教育机构的关系。

除了PlayDNA公司外,其他公司也在探索将DNA测序引入学校的方法。Wellcome基金会桑格研究所的高级科学家Kim Judge近期正与The Perse School学校一起合作,Judge使用MinION测序仪判断了一款“神秘冰沙”中的水果类型。她说,处理植物DNA虽然存在困难,但是他们能够获得足够的数据来判断水果的类型。她最近还回到其高中母校,位于英国Kettering的Bishop Stopford School,进行了另一项研究。在研究中,学生们从酸乳酒中的微生物内提取了DNA并进行测序。她说,“我希望进行更多类似的项目。”她的下一个项目计划在六月初进行,但是Judge表示其目前还没有创立公司的计划。

参考文献:

PlayDNA Works on Bringing DNA Sequencing, 'Big Data' Analysis to Secondary Schools

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本文由 测序中国 作者:戴胜 发表,转载请注明来源!

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