Реверс-инжиниринг ДНК-синтезатора

    Буквально вчера, мне в руки попал ДНК-синтезатор. Прибор решающий обратную задачу по сравнению с ДНК секвенатором.



    Причем сам этот прибор, по сути — система подачи реагентов в секвенаторе. Как только он попал ко мне в дом — был сразу же разобран. Но сначала, вкратце, как он работает.

    В этом приборе, в реакционную колонку, подаются активные нуклеотиды, в порядке заданным компьютером. Что бы они не вступали в реакцию между собой, их активная группа с одной стороны блокирована. Между подач нуклеотидов, в колонку подается специальный раствор, который разблокирует активный конец, и делает возможным присоединение следующего нуклеотида. Что бы растущая ДНК не смыло остатками реагентов, перед синтезом она закрепляется на твердом носителе в колонке.



    Ключевым элементом в ДНК-синтезаторе, кроме колонки для синтеза, является роторный клапан, который позволяет переключать подачу реагентов без их смешивания. За ним я и охотился. в природе этот клапан стоит порядка 1000$. Ну и следующим элементом, который там должен непременно быть — насос. Но он мне не очень интересен, у меня уже есть более дешевый и неточный.

    Итак, на рисунке видно, в каком состоянии предстал передо мной прибор. Он состоит из двух блоков. Зачем сделаны раздельно, я пока не понял. Прибор 1993 года. Весь софт был написан под DOS и давно утерян. Меня попросили восстановить софт под ХР. Этот аппарат связывался с с компом через LPT-порт, документации тоже нет, поэтому восстановить протокол общения с компьютером, человеческими методами, не представляется возможным. Поэтому берем, и выкидываем электронику из него. Заменяем её на arduino ;)

    Теперь берем шуруповерт, разбираем его, и заглядываем внутрь:

    Первый блок:



    Сразу видим долгожданный роторный клапан, инжекционный модуль (по сути насос с точной дозировкой) и электронику, которая управляет этим. Еcли присмотреться лучше, видно, что роторный клапан управляется напрямую извне, минуя электронику.



    Определенный интерес, представляет «насос» он состоит из клапана 1:2, судя по всему, тоже роторному, и поршня, который двигается электро приводом. Клапан соединяет вход с поршнем, поршень отходит на нужное расстояние, которое контролируется оптопарой, клапан поворачивается в состояние поршень-выход, и поршень выталкивает необходимую дозировку в реактор. Причем этим процессом управляет куча электроники. На базе интеловского МК P8031AH



    Порадовал «ретро-стайл» дорожек, такие все изогнутые, как будто там СВЧ.

    Рассмотрим гидравлическую схему этого блока.



    В каждую пробирку с реактивом, входят две трубки. По одной, судя по всему, подается газ из инжекционного модуля, через роторный клапан, и выталкивает реагент, который оттуда попадает в смеситель, из которого потом идет во второй блок.

    Теперь разбираем второй блок, задняя стенка:



    Сверху мы видим два шаговых движка с редукторами, ниже находится вся электроника во главе с 8-ми битным процессором D70008AC-6MHz с обвесом из:

    INS8154 N-Channel 128-by-8 Bit RAM Input/Output
    TMS2516 16,384-BIT ERASABLE PROGRAMMABLE READ-only MEMORIES
    Z8470AB1 — контроллер порта
    DS1488 — Quad Line Driver
    DM74LS32 — Quad 2-Input OR Gate
    DM74LS138 - Decoders/Demultiplexers

    В углу, справа снизу, наклейка на микросхеме с рисунком ДНК. Это микросхема памяти, в которой хранится ПО для процессора. Она read-only, а её стирание происходит путём свечения ультрафиолетом через прозрачную крышечку, которая и заклеена. Такая вот специфичная «пломбировка» прошивки.

    Платой ниже находится еще два контролера LPT-порта и драйверы шаговых двигателей на L293B.



    Теперь снимаем переднею крышку:



    Для понимания нарисована схема флюидики:



    Здесь мы видим еще два клапана. Один клапан обеспечивает выбор колонки на которую будут подаваться реагенты, так как прибор двухканальный. Второй определяет, что именно будет подаваться туда извне. Все что слева, судя по всему, обеспечивает промывку системы. На самом деле, сопряжение двух блоков флюидикой мне еще не очень понятно. Все осложняется тем, что прибор предназначен не только для синтеза ДНК.

    В общем, мои задачи:

    1. Скопировать роторный клапан; сделать на нем систему подачи реагентов для моего секвенатора. Родилась идея: в моем секвенаторе, совместить ещё и ДНК-синтезатор. Основная стоимость синтезатора — в этом клапане. Если удастся его скопировать, то можно продавать дешевые ДНК синтезаторы.
    2. Заменить электронику на arduino, c драйверами шаговых двигателей и софтом. В каждом движке имется также по оптопаре или энкодеру. Я думаю, найдется много людей, которые захотят мне с этим помочь.
    3. Запустить сам прибор. Для этого необходимо разобраться в его устройстве, подключении флюидики, алгоритмах работы, найти или сделать подходящие реакционные колонки и реагенты. Предлагаю всем сочувствующим писать предложения и идеи по этому на моём сайте.
    Метки:
    Поделиться публикацией
    Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 60
    • –1
      Порадовал «ретро-стайл» дорожек, такие все изогнутые, как будто там СВЧ.

      Обычная разводка при помощи TopoR
      • +6
        Не уверен, судя по возрасту электронной базы, что в те годы он уже был.
        • 0
          Я про то, что это не ретро, просто такой стиль, который и сейчас весьма используют.
          • 0

            Зачем?

            • +2
              В случае СВЧ — для минимизации отражений. Все микрополосковые линии имеют исключительно плавные очертания.

              В других случаях так трассируют просто по причине нетрадиционного понимания прекрасного. :) Да, есть там всякие отговорки насчет того, что так-де топология получается оптимальнее, но это просто попытки замаскировать любовь к пьяным дорожкам. :)
              • –1
                по причине нетрадиционного понимания прекрасного

                почему я так корректно выражаться не умею?
          • +1
            Ради восстановления великой справедливости — был.

            Начало работ по созданию гибкого [2] топологического трассировщика относится к 1988 году


            Википедия.

            Хотя, конечно, я не уверен, что при проектировании платы использовали именно его.
        • 0
          нельзя ли вкратце пояснить термины «флюидика» и «роторный клапан»?
          и ещё — не совсем понятно, зачем к шаговому двигателю подключен энкодер?
          • +3
            Флюидика — жидкостная система подачи реагентов.
            Роторный клапан — клапан, в котором ротор при в вращении переключает соосный вход на любой из радиальных выходов в статоре. Вот здесь есть схема его работы.
            Энкодер нужен для точного совмещения каналов подачи реагентов в статоре и роторе.
            • 0
              спасибо за пояснения…
              насчет энкодера — в вашем случае нужен абсолютный энкодер,
              но в данном случае вместо энкодера лучше использовать простую оптопару
              для определения относительного положения ротора и статора при первоначальной подаче
              питания
              и еще — при использовании шаговика и вашего роторного клапана неизбежно будет
              возникать люфт, из за которого будет накапливаться ошибка в позиционировании
              • +2
                Энкодеры есть на самом синтезаторе, можно взять их. Конкретно на клапане — стоит две оптопары и два диска, через которые они просвечивают. Я так понимаю, люфта можно избежать, если клапан находится на одной оси с шаговиком.
                • 0
                  1 — ошибку позиционирования можно исключить логически.
                  2 — энкодер дает обратную связь, что исключает накопление ошибки.
            • 0
              Скопировать роторный клапан; сделать на нем систему подачи реагентов для моего секвенатора. Родилась идея: в моем секвенаторе, совместить ещё и ДНК-синтезатор. Основная стоимость синтезатора — в этом клапане. Если удастся его скопировать, то можно продавать дешевые ДНК синтезаторы.
              А зачем его копировать, если сейчас проще заменить четырьмя раздельными клапанами-дозаторами? Относительно сложную механическую часть можно достаточно просто заменить электроникой. В одном положении клапан должен наполняться раствором реагента, в другом этот реагент выдавливается, например, воздухом, в реакционную колонку. В случае ДНК синтезатора, например, три клапана нуклеотидов и пара клапанов-дозаторов для реагента, открывающего активную группу, второй для промывочной жидкости.
              • +1
                Можно ссылочку на такие клапаны?
                • 0
                  Увы, нет, я даже не уверен, что их кто-то делает серийно в конкретных типоразмерах. Но я думаю, что их будет несложно заказать на предприятиях, специализирующихся на мехообработке. Проблема в материалах, они должны быть безопасными и стойкими к коррозии.
                  • 0
                    Клапаны можно попробовать подобрать в каталоге фирм по автоматизации. Думаю там будут готовые решения для вашего случая. Либо будут упрощённые аналоги.
                    • 0
                      я честно говоря не совсем понял откуда такая цена на клапан (вроде ничего сложного) поэтому может и сути не понял. но почему нельзя заменить клапан 1:8 на 8 нормально закрытых клапана, открываемых по одному?
                      • +2
                        То, что от места клапана до места пересечения будет мертвая зона, в которой будет оставаться реагент, и загрязнять подаваемый от другого клапана.
                        • 0
                          в первом блоке это не имеет значения.
                  • 0
                    То есть ДНК-синтезатор — это такой нуклеотидный принтер, позволяющий напечатать любой генотип?
                    • +2
                      Да, но может делать только короткие последовательности. Где-то до 200 нуклеотидов. Более длинные обычно копируются из чего-нибудь живого с помощью ПЦР и вставляются куда надо с помощью CRISPR/Cas9.
                      • 0
                        В принципе, «напечатать» можно и длинные последовательности, но процесс это очень не быстрый. Поэтому печатается только отличающийся фрагмент.
                        • 0
                          можно и длинные последовательности
                          На сколько длинные? Сколько это будет стоить?
                          • 0
                            Вот соберёт человек «принтер для ДНК», и ответит.
                            • +1
                              Обычно праймеры для ПЦР — 16-30 пар нуклеотидов (н.п.), реже 40-200, почти никогда 500-800. Читал про синтез в несколько тысяч нп, но такое делается крайне редко, обычно для проектов «синтетический геном». Цена с учётом очистки растет нелинейно, сложность синтеза и очистки можно примерно считать квадратичной, по порядку цифр — около 200 р за нп до 50 нп, до 200 нп — около 500р/нп, больше — по договоренности.
                              • 0
                                Спасибо! Я тут погуглил, что в принципе, используется многостадийный синтез через склейку коротких последовательностей, рутинно получают последовательности до 1200 bp, хотя вообще можно получить и последовательности намного длиннее, даже целые синтетические хромосомы.
                                • +1
                                  Это да, клеить можно минимум 3 разными способами; я писал про «однопроходный», бессклеичный синтез. Со склейками сделали цельный бактериальный геном.
                          • 0
                            Любительский вопрос. А если на нескольких ДНК-принтерах одновременно печать, а потом последовательно собрать цепочки вместе?
                        • +1

                          Друг мой, обратите свой взор на рынок каплеструйных принтеров ( штуки, которые даты производства на упаковках всякого рода продукции печатают) Рекомендую начать изучение с Каплеструйного маркиратора Питерского производства ЭКСТ. Клапана и гидросхема очень похожи, запчастями они охотно делятся за энное количество тугриков.

                          • +1
                            Где-то можно взглянуть на их внутренности?
                            • 0
                              Рекомендую начать изучение с Каплеструйного маркиратора Питерского производства ЭКСТ.
                              Присоединяюсь.
                          • +4
                            Все, хана, ждем появления чужого…
                            • 0
                              Тогда уже постов в DIY с процессом изготовления
                            • 0
                              Интересно, что потом можно сделать с синтезированной ДНК?
                              • +1
                                Использовать как праймеры для пцр, Интегрировать в другой организм с помощью, например, вирусного вектора.
                                • 0
                                  Интегрировать в другой организм с помощью, например, вирусного вектора.
                                  Мне кажется, за вами скоро придет какой-нибудь терминатор или другой убийца из апокалиптического будущего, чтобы не дать завершить начатое…
                              • 0

                                "найти или сделать подходящие реакционные колонки"


                                Для первой электроники платы можно было руками травить и паять. Сейчас многослойные платы и элементы с сотнями контактов...


                                Раньше твердофазные колонки руками набивали. Сейчас это другой уровень зерна и качества, а стоят они от $300 даже с простым сорбентом.


                                Хотя конечно вопрос в задаче: если задача эффективной очистки продукта не стоит, то можно и дешевле. Правда я не очень понимаю как можно применить этот суп из днк, реактивов и полупродуктов.

                                • +2
                                  Хотелось бы более подробно узнать про реакционные колонки.
                                • 0
                                  Вообще интересный проект вы делаете, судя по тому что на сайте увидел. Планируете ли серийное производство?
                                  А так — посмотрите на более дорогую может быть не в деньгах, но во времени задачу — это постобработка секвенированных данных. Со временем то, что обработка данных занимает на порядок больше времени чем само севенирование — станет камнем преткновения. Вобщем там тоже можно попробовать что-то оптимизировать. Как минимум научиться распараллеливать задачу в распределенной сети, сокращая время.
                                  • +1
                                    Перед этим мне хотелось бы быстро и дешево получать данные для обработки, из того что я хочу.
                                  • –1
                                    Да… При помощи данной штуки можно сделать бактерию которая бы ела каку и писала бы высокооктановым бензином.
                                    • 0

                                      Осталось всего лишь разобраться, какая комбинация нуклеотидов для этого нужна.

                                      • +1
                                        Нельзя, даже если удастся придумать нужный ДНК-код, собрать его на данном принтере не получится, т.к. он молекулы длиннее пары сотен нуклеотидов не печатает. Этого не хватит даже на один среднего размера белок, не то что целую бактерию.
                                        • –1
                                          Метод пока сложный, дорогостоящий, поэтому пока взлетят только дрожжи, потребляющие сахар и писающие веществами. </юмор>
                                        • 0
                                          Александр, все очень понятно, кроме одного, как такая грубая (судя по фото) техника может обсепечить дозирование 1й молекулы?
                                          • 0
                                            Какой процент ошибок и как его вообще контролировать? Насколько я слышал, наука контролирует микроскопией или лазерной технологией.
                                            • 0
                                              По окончании синтеза с помощью электрофореза в геле проводится оценка длины полученной цепи. Обычно получается четкая линия наработанной цепи и и некоторое количество низкомолекулярных цепочек.

                                              Для дальнейшей работы выделяется наработанная цепь, количество копий которой можно еще увеличить методом ПЦР.
                                            • +1
                                              А там дозировка, вообще, по моему не столь важна. За счет терминатора к каждой цепочки прикрепится только 1 нуклеотид.
                                              • 0
                                                Дозируется не молекула а объем раствора. Одновременно синтезируется большое количество одинаковых копий ДНК. Нуклеотиды подготовлены таким образом, что не цепляются один к другому, а только к свободному ДНК хвосту. После определенного времени реакции идет промывка для смыва избытка нуклеотидов, а затем обработка реагентом для активации хвоста ДНК. Затем промывка и следующая порция нуклеотидов.
                                                • 0
                                                  Т.е. последовательность типа ТАТАС создается попеременным увеличением концентрации каждого нуклеотида?
                                                  • +1
                                                    наличием в реакционном объеме на конкретной итерации только молекул одного нуклеотида. Предыдущий непрореагировавший смыли весь (в идеале)
                                              • +1
                                                Приветствую, я работал с автоматизацией всяких реакторов. Если есть вопросы по всяким насосам, трубкам и клапанам могу ответить. Так же могу дать советы по реагентам и колонкам. Увы с электроникой у меня не очень, но думаю мой опыт может быть полезен.
                                                В последнее время я много работал на приборах этой компании: www.chemspeed.com
                                                они гуру в автоматизации по части хим реакций.

                                                В целом ДНК синтезатор довольно простая задача с точки зрения автоматизации, т.к. реагенты не агрессивные и все реакции при комнатной температуре + еще и не токсичные.

                                                Имейте ввиду, что ДНК синтезаторы попадают под кучу межденародных регулешенов и сбыть такой прибор даже официально задача та еще, а не официально могут и схватить за…

                                                Если интересно велкам в личку.
                                                • 0

                                                  "ДНК синтезаторы попадают под кучу регуляций" почему? Фобии, типа ГМО?

                                                  • +1
                                                    Причем здесь фобии. Уже лет 15 назад попадалась на глаза статься, где взяли геном вируса (кажется оспы) из открытой базы данных, синтезировали ДНК и получили вполне вирулентный вирус. Все это делалось в защищенной лаборатории, конечно, но если синтезаторы будут продаваться на каждом углу, это не будет хорошо.

                                                    Кстати, еще когда пачками заказывал праймеры на стороне, предполагал, что их проверяют по базе, что они не для опасных вирусов. А потом узнал, что так и есть! Фирмы, которые делают олиги на заказ, действительно это проверяют.
                                                    • +1
                                                      Офигеть, скиньте на почитать. Вот я как бы биолог с немалым опытом, а так не умею. Или с фолдингом напутаю, или не закапсулируется…
                                                      • +1
                                                        Ну вот первое, что попалось:

                                                        Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template
                                                        Jeronimo Cello, Aniko V. Paul, Eckard Wimmer*
                                                        Science 09 Aug 2002:
                                                        Vol. 297, Issue 5583, pp. 1016-1018

                                                        Full-length poliovirus complementary DNA (cDNA) was synthesized by assembling oligonucleotides of plus and minus strand polarity. The synthetic poliovirus cDNA was transcribed by RNA polymerase into viral RNA, which translated and replicated in a cell-free extract, resulting in the de novo synthesis of infectious poliovirus. Experiments in tissue culture using neutralizing antibodies and CD155 receptor–specific antibodies and neurovirulence tests inCD155 transgenic mice confirmed that the synthetic virus had biochemical and pathogenic characteristics of poliovirus.
                                                        Тут про полио, но я, кажется, видел и про синтез оспы.
                                                • +1
                                                  В целом ДНК синтезатор довольно простая задача с точки зрения автоматизации, т.к. реагенты не агрессивные и все реакции при комнатной температуре + еще и не токсичные.


                                                  Не обманывайте человека, реагенты агрессивные и токсичные, многие канцерогены, некоторые прекурсоры, один вообще из первого списка.

                                                  В России выпускаются синтезаторы разных масштабов синтеза (http://biosset.com/sintezator-dnkrnk-asm-800/?lang=ru), но эти машины по принципу действия уступают зарубежным аналогам. Заграницей варят РНК- и ДНК-олигонуклеотиды кг-партиями и некоторые используется в качестве терапевтических средств с переменным успехом (в этом году вот еще два новых для орфанных заболеваний появились): www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26510815

                                                  Тот синтезатор, что автор препарирует, экскременты мамонта. На запчасти к секвенатору может что-то и пойдет. Если он его соберет, то запустить процесс нормально вряд ли получится, а если и да, то синтезировать заявленные 200 нт точно нет :)
                                                  • 0
                                                    В принципе, если не на Ардуине — я мог бы заняться разработкой электроники и прошивкой. Пишите, если нужно.
                                                    • +1
                                                      У Вас под названием статьи стоит тег «Open Source».
                                                      ВОПРОС:
                                                      — Ваш проект относится к Open Source-проектам?
                                                      • 0
                                                        Да, на моем сайте я выложил исходники по секвенатору. Планирую в нем также совместить и ДНК- синтезатор.

                                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.