تطوير القيء النقال أجهزة التصفيق للبحوث الميدانية

وقد أدت القدرة على قراءة المخطط الوراثي للكائنات الحية إلى تحول البحوث البيولوجية، ولكن منذ عقود كانت تلك الطاقة مقفلة داخل مباني مختبرية متفرقة بآلات مكلفة وحجم غرف، والباحثون الذين يحتاجون إلى بيانات جينية من الغابات المطيرة النائية، أو طوابق المحيطات، أو مناطق تفشيها قد واجهوا اختناقات محبطة: جمع العينة، والحفاظ عليها، وشحنها إلى مختبر، وثبات انتظارية للخلفية.

التعريف بسلسلة النعوم المحمولة

ويشير التسلسل الجينومي المحمول إلى القدرة على أداء الحمض النووي أو التسلسل الوطني للصواريخ خارج بيئة مختبرية تقليدية، وكثيرا ما تستخدم أدوات مصممة بالبطارية، وهذا المفهوم ليس جديدا تماماً من أجهزة PCR القابلة للنشر في الميدان، ولكن القدرة على تسلسل جميع المعالم أو المخطوطات في الموقع تمثل قفزة كبيرة من الاكتشاف.

وقد تمكن العلماء المتنقلون من الحصول على معلومات جينية في الوقت الحقيقي، مما أدى إلى تسريع وتيرة كل شيء من تحديد الأنواع خلال الدراسات الاستقصائية للتنوع البيولوجي لتتبع تطور فيروس أثناء وجود وباء، وكان أكثر الأجهزة المعروفة، وهي شركة مينيون من تكنولوجيات أوكسفورد للننبور، وزنها أقل من 100 غرام ومساحات في حاسوب محمول عن طريق USB.

الدعائم التكنولوجية الرئيسية

نانوبوار سيكينغ

وفي قلب معظم المتعاقبين النقّالين هو تكنولوجيا النانوبور، حيث إن هناك العديد من المقاييس التي تُستخدم في النسيجات الاصطناعية، والتي تُستخدم في الماضي، حيث أن هناك العديد من الفحوصات التي تُستخدم في الأشعة تحت الصفرية التي تُستخدم في الأشعة تحت الصفرية، وهي تُعطيل في الوقت الحالي، حيث تُحدّد هذه التسلسلات في الزمن الحقيقي.

إعداد المكتبة في الميدان

ومن أكبر العقبات التي تعترض التسلسل الميداني إعداد العينات، وتشمل عمليات التحضير التقليدية للمكتبة خطوات متعددة: استخراج الحمض النووي، والتشتت، وإصلاحه النهائي، وتقويم المكيّف، والتنقية - التي تتطلب أجهزة الطرد المركزي، وأجهزة التدوير الحراري، والتخزين البارد، وقد أدى التسلسل المحمول إلى الابتكار في بروتوكولات مبسطة وسلية، وعلى سبيل المثال، يقدم أقل عدد من أجهزة البحث المكيفة

تحليل الضبطيات والتطبيقات الحقيقية

ويجب تحويل الإشارات الكهربائية التي تنتجها أجهزة تعاقب النانوبور إلى عملية أساسية تسمى " التكرير الأساسي " ، أما الأجهزة التي كانت تعتمد في وقت سابق على برامج حاسوبية قائمة على الغيوم أو مكتبية، ولكن تدفقات العمل الحديثة المحمولة تشمل وضع علامات أساسية محلية باستخدام أجهزة قياس الترددات العالمية التي تُدرج في حاسوب محمول أو حتى على جهاز التسلسل (مثلاً، فإن مجموعة مينتون Mk1C التي تستخدم حاسوباً متكاملاً جيداً).

ميليستون في تنمية المراعي النقالة

وقد تميزت الرحلة من التتابع المعملي فقط إلى الأجهزة التي يمكن استخدامها في الميدان بعدة معالم رئيسية توضح التقدم التكنولوجي وحل المشاكل الخلاقة من قبل الباحثين.

برنامج الوصول المبكر في مينيتون (2014)

وفي عام 2014، أطلق أوكسفورد نانبور برنامج الوصول إلى مينيون، الذي يوفر وحدات مبكرة لطائفة عالمية من الباحثين، وكانت النتائج الأولية منخفضة، وكانت النتيجة النهائية متفاوتة، وكان الناتج متغيرا، وكان الجهاز يتطلب إنشاءا دقيقا، غير أن برنامج العمل المتعدد الأطراف قد أحدث انفجارا في تطوير الأساليب مع اقتسام المستخدمين بروتوكولات وطرق عمل، وبحلول عام 2015، كانت الأفرقة قد تسلسلت أول جهاز لمراقبة البكتيريا في عام 2016.

حركة إيبولا وزييكا

وخلال فترة تفشي فيروس إيبولا في غرب أفريقيا، كان التعاون بين أوكسفورد نانوبوري، والمختبر الأوروبي المتنقلة، ومركز الامتياز الأفريقي للأمراض الوبائية المسببة للمرض يستخدم متوالية من مينيون لتوليد سلاسل الزهريات في الوقت الحقيقي، كما تم جمع العينات في الميدان، ونقلت إلى مختبر متنقل، وتسلسل انتشار الفيروسات الوبائية في غضون 24 ساعة.

القطب الجنوبي وبحر ساوث البحار العميق

وقد تم اختبار تمزق التسلسلات المحمولة في بعض البيئات الأكثر تطرفاً في الأرض وفي عام 2019، قام فريق يقوده المسح البريطاني في القطب الجنوبي بتسلسل الحمض النووي داخل محطة بحث في أنتاركتيكا، باستخدام مينيون لدراسة التكييفات مع درجات الحرارة الباردة، وكان الجهاز يعمل في درجة حرارة دون الصفر مع تعديلات طفيفة فقط (تدفئة الحاسوب المحمول وتسلسله داخل صندوق بلاستيكي).

The SARS-CoV-2 Pandemic: A Mass Adoption Catalyst

وقد عجل وباء COVID-19 في تطوير ونشر تسلسل محمول على نطاق غير مسبوق، وقد أصبح نظام " مينيون " ، إلى جانب خلايا تدفق الأرخص، أدوات اختيار للمراقبة الفيروسية في الوقت الحقيقي في العديد من البلدان، وقد وضعت شبكة " ترينك " بروتوكولاً بشأن تسلسل الترددات المائلة من نوع " سى - كوفان - 2 " ، وهو ما لم تعتمده مختبرات ذات موارد عالمية.

الأثر على البحوث الميدانية في مجال البيئة وحفظ الطبيعة

Biodiversity Assessment via Environmental DNA (eDNA)

ومن أكثر التطبيقات الواعدة للتسلسل النقال تحليل الحمض النووي البيئي (eDNA) - المواد الجينية التي تُسجَّل بواسطة الكائنات الحية في المياه أو التربة أو الهواء، وقد تُجمع عينات من الحمض النووي الإلكتروني وتُرسل إلى مختبر للتحلل (تصنيف وتسلسل علامات التحلل مثل ثاني أكسيد الكربون) وتُمكّن الباحثات من القيام بمثل هذا التسلسل المائي.

أطباء الأحياء البرية وكشف آثارها

ويتزايد استخدام التسلسل الجينومي المحمول في الطب الشرعي للأحياء البرية لمكافحة الصيد غير المشروع والاتجار غير المشروع بالأحياء البرية، ويمكن للسلطات أن تسلسل المنتجات الحيوانية المصادرة (المعاجم، القرن، المقاييس) في الموقع لتحديد الأنواع، والأصل الجغرافي، وحتى الهوية الفردية للحيوانات، كما أن طبيعة التحليل في الوقت الحقيقي تسمح بإنفاذ القانون باتخاذ قرارات فورية - على سبيل المثال، إعادة توجيه الدوريات استنادا إلى التوقيع الوراثي على مضبوطات في عام 2020.

رصد صحة الشعاب المرجانية

وتواجه الشعاب المرجانية خطر تغير المناخ وتحمض المحيطات والتلوث، ويستخدم الباحثون أجهزة تسلسل محمولة لرصد الميكروبيوم من المرجان ووجود مسببات للأمراض مثل ] Vibrio من الأنواع، وفي دراسة أجريت في 2021، نشر العلماء مختبرا متنقلا على متن سفينة في رصيف البارير الكبرى، حيث يقومون بتدخل عينات من نوع المي كامل.

التأثير على إدارة الأمراض المعدية

On-Site Pathogen Identification and Genomic Epidemiology

وخلال تفشي الأمراض، تتسم السرعة بالأهمية، إذ يتيح التسلسلات المتنقلة للمستوصفين وأطباء الأوبئة تحديد المسببات المرضية من عينة المريض في غضون ساعات قليلة، وعلى سبيل المثال، في حالة تفشي حمى لاسا في نيجيريا في عام 2018، استخدم فريق تسلسل متنقل لإحداث مينيون لتوليد جينومات فيروسية، وتأكيد وجود فيروس لاسا في الحالات المشتبه فيها، مما أدى إلى التمييز بين مسارات أخرى من الحمى.

مراقبة المقاومة المضادة للدم

مقاومة مضادة للدماغ هي أزمة صحية عالمية، كما أن مراقبة جينات المقاومة ضرورية لتوجيه العلاج، ويمكن أن يتيح التسلسل الفرز في مستشفيات منخفضة الموارد، ومزارع، وحتى مياه الصرف، ويمكن للباحثين أن يتابعوا العزل البكتيري أو الحمض النووي المميت من العينات السريرية أو البيئية، وأن يكشفوا عن المقاومة التي تنجم عن قواعد بيانات مثل CARD أو ResFinder.

Wastewater-Based Epidemiology

وقد أصبحت مراقبة مياه الصرف الصحي في منطقة الساحل والسيارات - كوفان - 2 أداة رئيسية للصحة العامة أثناء انتشار الوباء، وقد أتاح التسلسل المحمول تحليل عينات مياه الصرف في المجتمعات النائية حيث لا يمكن عمليا إرسال العينات إلى مختبر مركزي، وفي عام 2021، نشر الباحثون في أوغندا جهازاً مينيوناً لتسلسل شظايا من طراز SS-CoV-2 من مياه الفضلات في كمبالا، مما أدى إلى تطوية بيانات متغيرية عن الارتا

التحديات والحدود

ورغم التقدم الملحوظ، فإن التسلسل الجغرافي المحمول لا يخلو من تحديات كبيرة يجب التصدي لها من أجل الانتشار الميداني الواسع والموثوق.

حياة البطارية وإمدادات الطاقة

ويتطلب التصفيق قدرة مستمرة لكل من الجهاز والحواسيب المرتبطة به (ما لم تستخدم نماذج متكاملة مثل Mk1C) وفي المواقع الميدانية النائية، قد يكون الوصول إلى الكهرباء الشبكية غائبا، وفي حين أن الألواح الشمسية ومصارف الطاقة المحمولة يمكن أن تساعد، فإن مطالب الطاقة في التكدس في الحاسوب المحمول في الوقت الحقيقي يمكن أن تستنفد البطاريات بسرعة، وبالنسبة لعمليات النشر الموسعة (الأسبوع أو أشهر)، فإن إدارة الطاقة تصبح مسألة لوجستية حرجة.

تخزين البيانات والترابط

ويولد المتعاقبون المحمولون كميات كبيرة من البيانات الخام، إذ أن طريقة نموذجية من طراز MinION تنتج عشرات من ملفات الإشارات الكهربائية (الشكل 5 من نظام الإبلاغ المالي) أو POD5) ويحتاج العلماء إلى أدوات تدريبية على الحاسوب المحمول ذات التخزين المحدود، كما أن عملية تخزين هذه البيانات ونقلها وتحليلها في الميدان كثيرا ما تكون ضعيفة أو غير موجودة، مما يحول دون إجراء تحليلات على أساس السحاب.

النزاهة والظروف البيئية

وكثيراً ما تكون العينات الميدانية مختلطة أو منخفضة التركيز أو متدهورة بسبب الحرارة أو الرطوبة أو التعرض الكيميائي، ويجب أن تكون التسلسلات المحمولة نفسها قادرة على تحمل الغبار والرطوبة والهتز ودرجة الحرارة القصوى، وفي حين أن الخلايا المصغرة والفولغلية قوية بشكل معقول، فإن الأجهزة الإلكترونية المرتبطة بها (التوقف، إمدادات الطاقة) أكثر هشاشة، كما أن الحالات المتخصصة والحواسيب المبردة في الميدان تحافظ على الوزن.

Accuracy and Throughput

وقد حقق التسلسل النانوي خطوات كبيرة في الدقة، ولكن الدقة في توافق الآراء بالنسبة للجرعات المنقولة - خاصة في الظروف الميدانية التي لا تزال فيها مراقبة محدودة على درجة الحرارة ونوعية العينات متخلفة عن تسلسل خطي قصير في إيلومينا بالنسبة لبعض التطبيقات، وعلى الرغم من أن الدقة في الاختصار عالية (ما يزيد الآن على 99 في المائة بالنسبة للقراءات العالية الجودة)، فإن الأخطاء تميل إلى أن تكون منهجية في تطبيقات واحدة.

التدريب والخبرة

وفي حين أن التسلسل النقي يمكن الوصول إليه أكثر من التسلسل التقليدي للمختبرات، فإنه لا يزال يتطلب خبرة كبيرة، ويجب على الباحثين الميدانيين تعلم استخراج الحمض النووي، وإعداد المكتبات، وتحميل الخلايا التدفقية، وتحليل المعلومات الحيوية، وخط الوصل الاصطناعي، والعديد من المشاريع تعتمد على عدد صغير من الأفراد المدربين، والجهود الرامية إلى تبسيط مسارات العمل (مثلاً، نهج " البرمجيات المتحركة " ، و " ، الذي يشمل العينة " ، التي تشمل مجموعة البرمجيات " .

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

ويتطور مجال تسلسل الجينومي المحمول بسرعة، وهناك عدة تطورات مثيرة على الأفق تعد بمعالجة القيود الحالية وتوسيع نطاق التطبيقات.

دمج الاستخبارات الفنية لتحليل التسلسل الحقيقي

وقد تدمج المعلومات الاستخبارية الفنية والآلات في خوارزميات الوصل الأساسية والتحليلات في المراحل النهائية، فعلى سبيل المثال، فإن فريق البحوث الذي خلف جهاز غوبي الأساسي (البنيتو) قد يضم شبكات عصبية متكررة ونماذج محولات لتحسين الدقة والسرعة، ويمكن في المستقبل أن يتيح استخدام جهاز الاستدلال في الاتصال، وتحديد الأنواع، بل وحتى نماذج البحث في مجال الاختراق.

تحسين الجهاز الآلي وجهاز الحكم الذاتي

المصانع تعمل على أجهزة تتابع مدمجة تماماً ومحتوية على الذات تجمع بين خلية التدفق والسوائل ومصدر الطاقة وحساب وحدة واحدة مجهزة بالبساطات، وأجهزة تشغيل أجهزة التسلسل المصغرة (Oxford Nanopore Mk1C) التي تدمج بالفعل حاسوباً، لكن التهابات المستقبلية قد تتضمن بطاريات أكبر، وتخزيناً صلباً، ونقل البيانات بواسطة السواتل.

توسيع نطاق تطبيقات الزراعة والسلامة الغذائية

ويمكن أن تصبح المتعاقبات المحمولة أدوات قياسية للمحاكمات الميدانية الزراعية، مما يتيح للمولدات إجراء عملية اختيار جيني على متن السفينة، ويمكن للمزارعين اختبار ميكروبيوم التربة لتعظيم استخدام الأسمدة، وتحديد مسببات الأمراض النباتية في مرحلة مبكرة، وتتبُّع التلوث في سلسلة إمدادات الأغذية، مثلاً يمكن لجهاز تسلسل محمول في مرفق للتعبئة أن يفحص Salmonella[FT:]

Conservation Genomics and Biobanking

ومع تعجيل فقدان التنوع البيولوجي، فإن مقاييس الحفظ تعتمد بشكل متزايد على العينات غير الغازية والرصد الجيني في الوقت الحقيقي، ويمكن أن يدعم التسلسل المحمول إنشاء " قسائم جينية " للمواصفات المصممة في الميدان، مما يتيح التعرف السريع على الأنواع وراثيا السكان دون الحاجة إلى نقل العينات، وفي سياق المواد التي تُحفظ الوراثية من الأنواع المعرضة للخطر والتي يمكن التحقق من وجود عينات قابلة للحفظ.

نحو منهاج عالمي حقيقي، منخفض التكلفة

الهدف النهائي للتسلسل النواحي الجينية المحمولة هو جعله شائعاً كصوت ذكى أو آلة تصوير رقمية في البحوث الميدانية، وهذا يتطلب استمرار تخفيض كل من التكاليف في المقدمة وكمية واحدة وتحسين سهولة الاستخدام.

خاتمة

إن تطوير أجهزة تسلسلية محمولة للمجين قد تغير بصورة أساسية ما هو ممكن في البحوث الميدانية، ومن تتبع إيبولا في غرب أفريقيا إلى تسلسل الحيز المجهري للأسماك في أنتاركتيكا، فإن هذه الأدوات المدمجة أثبتت أن التحليلات الجينية لن تتطلب بعد الآن مختبراً للتدفقات الطوبية، وأن الفوائد كبيرة: النتائج السريعة، والتكاليف الأقل، وإمكانية الوصول إلى الأسواق، والقدرة على اتخاذ قرارات ناجمة عن البيانات في الوقت الحقيقي.

For further reading, visit the Oxford Nanopore Technologies website (]nanoporetech.com]), the ARTIC Network’s field sequencing protocols (artic.network), and the Barcodeb DataT ([6]).