Arduino σύστημα αυτοματισμού απομόνωσης DNA

Arduino based automation of a DNA extraction system” 

Δημοσίευση των Kyung-Won Kim, Mi-So Lee, Mun-Ho Ryu and Jong-Won Kim, Korea,Technology and Health Care 24 (2016)

Πολλές έρευνες έχουν γίνει σχετικά με τη διάγνωση λοιμωδών ασθενειών με μοριακή γενετική μέθοδο.  Η παρούσα μελέτη παρουσιάζει μια αυτοματοποιημένη διαδικασία  ενός συστήματος απομόνωσης DNA βασισμένο στη μικρορευστομηχανική και στα μαγνητικά σφαιρίδια, η οποία αποτελεί μέρος ενός φορητού τεστ μοριακής γενετικής.

Η μέθοδος του μαγνητικού διαχωρισμού αποτελεί μια σταθερή μέθοδο απομόνωσης DNA και επιτρέπει την πλήρη αυτοματοποίηση των περαιτέρω εφαρμογών. Επιπλέον αντικαθιστά την παραδοσιακή σχολαστική φυγοκέντριση και αποφεύγονται οι δυνάμεις τεμαχισμού και αποδιάταξης του DNA. Για την αύξηση των γενετικών διαγνωστικών τεστ είναι απαραίτητο να υπάρξει πλήρης αυτοματισμός της διαδικασίας, από την απομόνωση του DNA μέχρι τη διάγνωση της ασθένειας.

Tο Arduino είναι μια «ανοικτού κώδικα» πλατφόρμα «πρωτοτυποποίησης» ηλεκτρονικών βασισμένη σε ευέλικτο και εύκολο στη χρήση hardware και software που προορίζεται για οποιονδήποτε έχει λίγη προγραμματιστική εμπειρία, στοιχειώδεις γνώσεις ηλεκτρονικών. Στην ουσία, πρόκειται για ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα που βασίζεται σε ένα μικροελεγκτή και του οποίου όλα τα σχέδια, καθώς και το software που χρειάζεται για την λειτουργία του, διανέμονται ελεύθερα και δωρεάν ώστε να μπορεί να κατασκευαστεί από τον καθένα (απ’ όπου και ο περίεργος -για hardware- χαρακτηρισμός «ανοικτού κώδικα»).   Αφού κατασκευαστεί, μπορεί να συμπεριφερθεί σαν ένας μικροσκοπικός υπολογιστής, αφού ο χρήστης μπορεί να συνδέσει επάνω του πολλαπλές μονάδες εισόδου/εξόδου και να προγραμματίσει τον μικροελεγκτή να δέχεται δεδομένα από τις μονάδες εισόδου, να τα επεξεργάζεται και να στέλνει κατάλληλες εντολές στις μονάδες εξόδου.

Το σύστημα αυτοματισμού αποτελείται από  μία κεντρική εφαρμογή στον υπολογιστή,  μία μονάδα ελέγχου Αρντουίνο,  οδηγούς βημάτων κι ένα μηχανισμό απομόνωσης  DNA.

Prototype implementation. Linear actuator with home and negative limit switches (top left), stepper drivers (top right), and Arduino Due board with a logic level converter (bottom).

Ο μηχανισμός εκχύλισης DNA αποτελείται από  μια κασέτα με θαλάμους, σύριγγες, 4 γραμμικούς ενεργοποιητές βημάτων και ένα περιστροφικό ενεργοποιητή βημάτων. Οι ενεργοποιητές εφοδιάζουν μια αλληλουχία βημάτων στη διαδικασία εκχύλισης DNA, όπως μεταφορά, ανάδευση και έκπλυση για το δείγμα του γονιδίου, το μαγνητικό σφαιρίδιο και τα διαλύματα αντιδραστηρίων.

Λειτουργία του συστήματος

Η κεντρική εφαρμογή του υπολογιστή, προγραμματισμένη να  μεταφράζει το πρωτόκολλο αλληλουχίας βημάτων της διαδικασίας απομόνωσης του DNA σε δυαδικές εντολές, ενεργοποιεί την εκτέλεση των εντολών στη μονάδα ελέγχου και παρουσιάζει την κατάσταση της εκτέλεσης. Η μονάδα ελέγχου (Μ.Ε.) όντας σε διεπαφή με τον κεντρικό υπολογιστή (Κ.Υ.), εκτελεί τις εντολές που ενεργοποιήθηκαν. Όσον αφορά στην εντολή κίνησης των αξόνων, η Μ.Ε. χρησιμοποιεί μια ανοιχτή βιβλιοθήκη βημάτων που παρέχει μια ομαλή γραμμική επιτάχυνση και ένα προφίλ για πολυάριθμους οδηγούς βημάτων.

Σε αυτή την έρευνα η ακολουθία των μηχανικών κινήσεων για την απομόνωση του DNA εκτελείται με τη χρήση γλώσσας προγραμματισμού σε κώδικα G.  Οι κινήσεις είναι γραμμένες σε ένα αρχείο κειμένου σε κώδικα G, μεταφράζονται σε μια λίστα δυαδικών εντολών και εκτελούνται.  Εφόσον η κωδικοποίηση που απαιτείται είναι μικρή, η γλώσσα που εφαρμόστηκε ήταν απλή.

Αποτελέσματα

Το σύστημα εγκαταστάθηκε και διερευνήθηκε  η λειτουργικότητά του, ιδιαίτερα όσον αφορά την ακρίβεια θέσης και το προφίλ ταχύτητας.  Οι περισσότερες από τις αυτοματοποιημένες λειτουργίες πραγματοποιήθηκαν μέσα στον Κ.Υ., ενώ μόνο ελάχιστες λειτουργίες πραγματοποιήθηκαν στη Μ.Ε. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια Μ.Ε. με μικρή απόδοση καθιστώντας έτσι την αυτοματοποίηση φτηνότερη. Εφόσον μόνο ελάχιστες λειτουργίες εκτελούνται στη μονάδα ελέγχου, η φορητότητα σε μία άλλη Μ.Ε. αναμένεται να είναι υψηλή. Αυτό επίσης, κάνει την ανάπτυξη της διαδικασίας ευκολότερη.

Παρόλο που η γλώσσα του κώδικα G  μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο πρωτόκολλο της απομόνωσης του DNA, μία πιο φιλική στο χρήστη γλώσσα, πρέπει να αναζητηθεί. Εφόσον το προτεινόμενο σύστημα είναι σχεδιασμένο σε μια αρθρωτή δομή, οποιαδήποτε αναβαθμισμένη  γλώσσα μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ελάχιστη τροποποίηση και θα περιοριστεί στον μεταγλωττιστή.

Όταν το προτεινόμενο σύστημα ενσωματωθεί πλήρως, η απόδοση του συνολικού μηχανισμού απομόνωσης DNA θα αξιολογηθεί. Ο μηχανισμός είναι ακόμη υπό ανάπτυξη για να ενσωματώσει την επόμενη διαδικασία π.χ. μια micro PCR για την ανίχνευση ασθενειών όπως χλαμύδια. Το τελικό αυτό ενσωματωμένο σύστημα αναμένεται να παρέχει μια φορητή συσκευή μοριακής γενετικής δοκιμασίας,

Μαριτίνα Λαγωνίκα

Καθηγήτρια Βιολογίας Α Λύκειο Τοσίτσειο Μεταπτυχιακή φοιτήτρια στη Διδακτική της Βιολογίας

You may also like...

1 Response

  1. Εξαιρετικό!!!! Πολύ καλή παρουσίαση, ευχαριστούμε. Νομίζω η γλώσσα προγραμματισμού δεν πρέπει να είναι G, αλλά C.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *