在掌上即時進行 DNA 定序

作者 Kimberly Powell

Oxford Nanopore 那台採用 NVIDIA AGX 之人工智慧超級電腦上的定序分析技術,讓科學家能輕鬆在生物學方面的研究有突破性的發展。

在非洲廣袤的鐵紅色土地上,木薯是逾八億人賴以維生的糧食,就跟亞洲的稻米與歐洲的小麥同樣扮演著重要的角色。

兩種由粉蝨傳播的病毒侵害木薯時,將對農民和消費者造成極大傷害。農民很難及時診斷木薯上是否出現病原體,而是在懷疑植物是否染病之際,不得已只能摧毀這些莊稼。

不過 DNA 資訊可以幫助農民辨識植物上有著哪些病毒,並且據此採取適當行動。

來自英國的新創公司 Oxford Nanopore Technologies,使用自家的攜帶式低成本即時 DNA 和 RNA 定序儀 MinION,便能快速找出植物身上的病原體。MinION 連接剛推出搭載 NVIDIA AGX 的 MinIT 手持式人工智慧超級電腦,無論身在何處(就算在田地裡)也能即時進行序列分析。

「MinION 是全球唯一攜帶式即時 DNA 定序儀,而功能強大的 MinIT 是完美搭配它的裝置。資料從我們的定序儀中流出的速度愈來愈快,像 NVIDIA 這般的 GPU 技術便成為我們能即時進行 DNA 定序的核心。」Oxford Nanopore 執行長 Gordon Sanghera 說。

現已有多個科學領域的科學家使用 MinIT,許多科學家致力於發展醫療保健方面的用途,像是快速辨識傳染病、癌症或其它疾病。其他人則是專注於植物或環境科學上,甚至將這項技術用於教學。

用於鹼基判定的人工智慧技術

Nanopore 的定序技術測量通過奈米大小的孔洞、稱為「奈米孔」(nanopore)的微小離子電流。DNA 通過這些孔洞時,這項技術會檢測到訊號變化的情況。這個捕捉到的訊號產生出原始資料,需要進行處理以判斷 DNA 鹼基的順序,也就是「序列」。這稱為鹼基判定(basecalling)。

當DNA鏈的鹼基對通過納米孔時,發射離子電荷。 從這個數據流,通過NVIDIA AGX的強大的AI計算識別核苷酸並確定序列。

這個在分析上的問題最適合搭配人工智慧,特別是循環神經網路(RNN)。跟舊有的方法相比,RNN 可以產生出更準確的時間序列資料,而 Oxford Nanopore 的定序儀正是能獲得這類資料的裝置。

可取得性 + 速度 = 突破性的成就

自2015年推出 MinION 以來,最為好奇的科學家已經能掌握 DNA 序列,其中部分科學家在世上最偏遠的地方進行研究工作。在 Oxford Nanopore 的推特官方帳號 @nanopore 上經常介紹這些例子。

在這支簡短精彩的影片裡,介紹了木薯的個案研究內容。

在本周剛貼出的另一篇推文裡,介紹了阿拉斯加的一艘海洋研究船如何在船上使用 MinIT 和 MinION 來對海水進行科學分析。這項分析著重於對海洋微生物進行 DNA 分析,讓研究人員更深入瞭解海洋的生態體系、海洋生物多樣性,以及氣候變遷如何影響著海洋微生物。

https://vimeo.com/294744892

著重於速度和準確性方面效能的 Oxford Nanopore,將 NVIDIA GPU 用於分析資料,在他們各種 DNA 定序裝置上也使用了 NVIDIA 的 GPU。MinIT 搭配 NVIDIA AGX,執行效能較舊款裝置提升了十倍,便能即時解開人類與植物在基因方面的謎團。Oxford Nanopore 的桌上型 PromethION 裝置搭載 NVIDIA Volta GPU,可以用不到800美元的費用破解人類基因。

深入瞭解 MinION