М ногие, наверняка знают, как легко и просто реплицировать часть собственной ДНК. Процесс нехитрый по сути. Зато сколько потом восторженных сюсюканий из серии “ах, как он/она похож(а) на папу/маму!”. Однако, задача сильно усложняется, когда нужно создать некую абстрактную модель ДНК у себя на столе из подручных материалов.
Нафига это мне понадобилось, спросите? Очень просто. У дочери в школе есть предмет аналогичный “биологии” в российских школах. Соответственно, ученикам задали домашний проект, который включает в себя не только получение теоретических знаний о строении ДНК, но и создание модели оной. C этой моделью потом нужно выступать перед учителем и классом, рассказывая, что там в ней и как.
Вообще, это будет не совсем “мой” пост. Он, скорее посвящен дочери. Хотя я и принимал некоторое участие в процессе, в основном это участие сводилось к консалтингу… Однако, вдруг кому будет интересно или, вдруг у кого ребенку в школе зададут сделать аналогичную шнягу. Вот и руководство готовое получится.
Согласно условиям задачи, модель должна удовлетворять определенным требованиям. Интересно, что ученик сам может выбрать, какие условия он выполнит. Каждый пункт презентации “весит” определенное количество зачетных баллов. Соответственно, можно пойти по простому пути и набрать некий минимальный проходной балл или попробовать реализовать “программу максимум”.
Исходная постановка задачи:
Так же, как следует из задачи, это не обязательно должна быть именно модель. Это может быть что угодно – от книжки с рассказом до пазла. Главное, чтобы это имело некое физическое представление. Отдельно отмечено, что, если ученик решит делать именно модель, то запрещается использовать готовый магазинный набор. Типа такого , например.
Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.
Начали с компьютерной модели… Я на самом деле – не настоящий сварщик. Ну, т.е., в общих чертах знаю, что такое ДНК, из чего она состоит и как её принято изображать. Не более того. Поэтому уже с самых первых шагов, инициативу перехватила дочь. Она смогла растолковать мне что из чего состоит и что к чему прикрепляется.
Вышло что-то вроде такого:
Когда стало понятно. какие запчасти нам понадобятся, отправились по магазинам.Понадобится: пенопластовые шарики двух размеров, деревянные прутки, краска, клей и кусочек MDF для подставки.
Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:
Если честно, я сам не очень понимаю за каким хреном нужен Пес, но зато у него самого уверенности в этом хватило на нас всех. На самом деле, он только мешался… Но может быть я просто что-то недопонял.
Пенопластовые шарики были куплены в “долларом” магазине. В разделе “все для вечеринок”. Даже не хочу пытаться понять, как в контексте вечеринки могут быть использованы пенопластовые шарики. Но хорошо, что они нашлись. Это был у нас самый проблематичный момент. Нужно было найти такие шарики, которые было бы легко обрабатывать. Например, стеклянные шарики не подойдут – запаришся сверлить. Деревянные… В принципе, подошли бы. Для меня. Но работать предстояло дочери и я сомневался, что она вот так сходу сможет ровно продырявить деревянный шарик ручной дрелью. Половину запорет с непривычки. А они достаточно дорогие. Нужен был более мягкий и дешевый материал. Пенопласт подошел просто идеально.
Деревянные рейки были куплены в магазине стройматериалов. Эти прутки – более тонкие собратья тех, что я использовал для декорирования кровати и тумбочек . С этим проблем не было. Они всегда есть в большом многообразии во всех строительных магазинах.
Краски/клей – тривиально. Взяли обычную краску в аэрозоле. Сперва попробовали на одном из шариков – краска пенопласт не съела. Соответственно купили нужное количество цветов. Клей – обычный ПВА.
Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.
Сперва подставка. Дочь прислушалась к моему совету и распечатала на принтере шаблон, который приклеила на кусок MDF:
Её вариант был – найти блюдце подходящего диаметра и обрисовать по нему окружность. Но я смог её убедить, что такой путь – не путь самурая. Кому, как не мне знать, что у нас в хозяйстве нет блюдец подходящего диаметра с ровной кромкой – все с волнистым краем. Плавали уже – знаем:-)
На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…
Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:
Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:
Получился вот такой диск:
Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:
Далее предстояла сама занудная операция. Нужно было взять пенопластовый шарик и просверлить в нем два сквозных отверстия крест накрест. Через первое отверстие такой шарик насаживается на общую ось, в другое отверстие, с обоих его концов втыкаются поперечные палочки. Таких шариков нужно было сделать десять штук:
Труднее всего было мне. Вы не представляете себе, какая это пытка – стоять и смотреть. Вместо того, чтобы самому схватить дремель и быстро насверлить все за пару минут. Дочь управилась где-то за пол часа… Неспешная методичность с которой она все это проделывала – просто убивала меня:-)
Полученный результат она назвала шашлыком:
Теперь в шашлык предстояло напихать поперечные палочки. Они были нарезаны все из того же деревянного прутка, что и центральная ось:
Опять же, она хотела резать палочки ножовкой, но мне удалось убедить её, что отрезной диск и дремель – гораздо быстрее.
Следующий этап: взять полученные палочки:
… и напихать их в полученный ранее шашлык:
Это нужно было для того, чтобы приклеить центральные шарики (кстати, это вам не фигня какая, а самые настоящие водородные связи) с общей палке. На фото можно увидеть, что к основанию прицеплен очередной шаблон на котором размечены сегменты. Поперечины втыкаются в шарик, на центральную ось наносится клей, шарик выставляется на нужной высоте и поворачивается вдоль нужного сектора разметки. Т.е. на данном этапе, поперечины помогают позиционировать центральный шарик с нужным углом поворота. Повторить десять раз:
После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:
Как все высохло, приступили к финишной сборке.
На каждую поперечную палочку прицеплялась деоксирибоза… Кажется… Deoxyribose в оригинале. Пес его знает, что это… Не важно. Главное, что дочь знает, что это. Ей перед учителем презентуху толкать, а не мне:-)
Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:
Долгий и кропотливый процесс сборки модели:
Осталось добавить только фосфатные цепочки (phosphates). Насколько мы поняли, их и принято изображать в виде той самой, узнаваемой двойной спирали.
Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:
Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:
На этом этапе я впервые принял личное участие. Двух рук оказалось недостаточно. Надо, чтобы кто-то один держал и направлял полоски, а второй – мазал клеем и прижимал.
Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:
Согласно условиям задачи, нужно было так же, обозначить все запчасти. Решили ограничиться прилепливанием легенды к подставке. Как назло, кончились цветные чернила в принтере. Поэтому пришлось напечатать ч/б вариант и раскрасить его фломастерами:
Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:
Не знаю в чем дело было. Я уже сто раз пользовался этим агрегатом и ни разу до этого он ничего не жевал… Так или иначе, свою этикетку мы получили:
Модель готова:
Теперь дочери надо вызубрить устную часть презентации. Но с этим я уже помочь ей никак не могу. Надеюсь справится сама. Еще неделя у нее есть на зубрежку теоретической части. Напишу потом, как отсрелялась с проектом..
- Обучающая: сформировать первоначальные знания о строении, химическом составе и функциях молекулы ДНК.
- Развивающая: способствовать росту активной жизненной позиции, развивать умение анализировать и применять полученные знания в жизни.
- Воспитательная : воспитать чувство ответственности за свою жизнь, жизнь будущих детей; привить любовь к природе.
Учебно-наглядные пособия:
- индивидуальные карточки-задания для проверки пройденного материала в трех вариантах
- аудиомагнитофон
- карточки с терминами
- демонстрационная модель ДНК
- набор цветной проволоки для изготовления "своей" ДНК
- набор цветных мелков
Ход урока
1. Вступительное слово учителя.
"Природа - самое главное, и все делается по её законам, а мы являемся частицей самой природы и живем тоже по её законам, и те же самые силы действуют внутри нас". Это слова из книги, автора знаменитой "Системы закалки - тренировки человека" - П.К.Иванова.
Попробуем определить здесь ключевые слова:
ПРИРОДА, ЗАКОНЫ "СИЛЫ" ВНУТРИ НАС.
С этими понятиями мы знакомы по курсам физики, химии, биологии. А вот какие силы есть внутри нас, как они действуют - предстоит узнать в ходе урока.
2. Разминка.
Как вам уже известно, в составе клеток около 80 различных химических элементов.
Они оказывают самые разные действия на свойства и процессы в живых организмах
Итак, задание:
I вариант - влияние элементов на организм:
Ca, Fе, Мd, I, Zn.
II вариант - назовите макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы (химические знаки, % содержания).
III вариант - ответьте на вопросы:
Какие вещества относят к неорганическим
Какие вещества относят к органическим
Что значит "неорганические"?
Что значит "органические"?
Все живые организмы состоят из... (включается спокойная музыка)
3. Изучение нового материала.
Известно, что сказка ложь, да в ней намек и получается необычный урок. Урок без темы.
Проблемное задание:
Определить в ходе объяснения название темы урока. Итак, я буду сказку сказывать, а вы "намёки" в тетради фиксировать.
В некотором царстве, внутриклеточном государстве жило-было ядро. Такое округлое, симпатичное. А имя такое простое - Ядро (на доске по ходу рассказа составляется схема). (Рисунок 1)
Жило не тужило. Государство хоть маленькое, но как положено границы были (оболочка) и ров с вязкой жидкостью (цитоплазма). Пираньи там жили (лизосомы). Когда купцы заморские, лукавые, через границу товар везли (обмен веществ), лизосомы строго следили за качеством, некачественные продукты сразу переваривали: вместе с купцами.
Загордилось ядро, что оно такое важное. Купцы перед ним "шапку ломали" и звание ему свое, заморское присвоили. Стали с тех пор ядро мудрено звать - НУКЛЕУС (по ходу урока на доске крепятся карточки с заданиями).
Шло время. Грустно Нуклеусу, поговорить не с кем, наследство передать думал он думал и решил создать из своего тела (нуклеотидов) дитя малое.
Раскладывает нуклеотиды:
Вот сюда адениловый (А), сюда цитидиловый (Ц), здесь тиминовый (Т), ну а тут гуаниловый (Г).
Да не получается ничего. К счастью гости заявились. Пришел друг закадычный - фермент, и сестры двоюродные - водородная и ковалентная связь. Потом АТФ прибежала. Все хвасталась, какая она универсальная.
Все дружно взялись за дело - нуклеотиды раскладывают.
Ковалентная связь самая умная, крепкая, стала попарно нуклеотиды складывать, не как попало, а с чувством. А чувство это "комплиментарность " называется. (Рисунок 2)
Тут вмешалась водородная связь: "Я хоть и слабельная, но тоже помогу; давайте-ка, я всё как следует закручу". И "закрутила". Красиво получилось. (Рисунок 3)
Фермент сразу имя дал новорожденному - полинуклеотид , А тут АТФ как закричит (уж очень энергичная особа):
"Это ведь девочка! Смотрите, у нее есть талия!" Делать нечего. Стали еще одно имя подбирать. Вспомнили. Была у ядра бабка, звали её - Дезоксирибоза . Вот и решили новорожденную назвать - дезоксирибонуклеиновая кислота, короче - ДНК. Тут и сказке конец, а кто слушал: тот назовет тему урока:
"Рождение ДНК"
4. Закрепление - "Построй свою ДНК".
(Из цветной проволоки каждый изготавливает "свою" ДНК)
получается двухцепочная суперспираль
5. Выводы.
А когда ДНК подросла, паспорт получила, вошла в состав хромосомы, на работу там устроилась: хранит и передает генетическую информацию.
Наверное, это и есть "силы внутри нас".
6. Домашнее задание.
а) устное - мое сегодняшнее открытие
Что изменилось в моем мировоззрении
б) письменное - написать правила поведения по отношению ко всему живому от имени: волка, зайца, морковки.
Сегодня мы проведем урок не только лепки, но и химии, и слепим модели молекул из пластилина. Пластилиновые шарики можно представить, как атомы, а показать структурные связи помогут обычные спички или зубочистки. Таким методом могут пользоваться учителя при объяснении нового материала по химии, родители – при проверке и изучении домашнего задания и сами дети, интересующиеся предметом. Более легкого и доступного способа создать наглядный материал для мысленной визуализации микрообъектов, пожалуй, не найти.
Здесь представлены представители мира органической и неорганической химии в качестве примера. По аналогии с ними могут быть выполнены и другие структуры, главное – разбираться во всем этом многообразии.
Материалы для работы:
- пластилин двух или более цветов;
- структурные формулы молекул из учебника (при необходимости);
- спички или зубочистки.
1. Подготовьте пластилин для лепки шарообразных атомов, из которых будут складываться молекулы, а также спички – для представления связей между ними. Естественно, лучше показывать атомы разного сорта другим цветом, чтобы было понятнее представить себе конкретный объект микромира.
2. Чтобы сделать шарики, отщипните необходимое количество порций пластилина, разомните в руках и скатайте фигурки в ладонях. Для лепки органических молекул углеводородов можно использовать красные шарики большего размера – это будет углерод, и синие меньшего – водород.
3. Чтобы слепить молекулу метана, вставьте в красный шарик четыре спички так, чтобы они были устремлены к вершинам тетраэдра.
4. Наденьте на свободные концы спичек синие шарики. Молекула природного газа готова.
5. Подготовьте две одинаковых молекулы, чтобы объяснить ребенку, как можно получить молекулу следующего представителя углеводородов – этана.
6. Соедините две модели, убрав одну спичку и два синих шарика. Этан готов.
7. Далее продолжите увлекательное занятие и объясните, как происходит образование кратной связи. Уберите два синих шарика, а связь между углеродами сделайте двойной. Подобным образом можно слепить все необходимые для занятия молекулы углеводородов.
8. Такой же способ подойдет и для лепки молекул неорганического мира. Осуществить задуманное помогут те же пластилиновые шарики.
9. Возьмите центральный атом углерода – красный шарик. Вставьте в него по две спички, задавая линейную форму молекулы, на свободные концы спичек прикрепите два синих шарика, которые в данном случае олицетворяют атомы кислорода. Таким образом, мы имеем молекулу углекислого газа линейного строения.
10. Вода – это полярная жидкость, а ее молекулы представляют собой угловые образования. Они состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Угловое строение задает неподеленная пара электронов на центральном атоме. Ее тоже можно изобразить в виде двух зеленых точек.
Вот такие увлекательные творческие уроки обязательно нужно практиковать с детьми. Ученики любого возраста заинтересуются химией, будут лучше понимать предмет, если в процессе изучения им предоставить наглядное пособие, выполненное своими руками.
М ногие, наверняка знают, как легко и просто реплицировать часть собственной ДНК. Процесс нехитрый по сути. Зато сколько потом восторженных сюсюканий из серии “ах, как он/она похож(а) на папу/маму!”. Однако, задача сильно усложняется, когда нужно создать некую абстрактную модель ДНК у себя на столе из подручных материалов.
Нафига это мне понадобилось, спросите? Очень просто. У дочери в школе есть предмет аналогичный “биологии” в российских школах. Соответственно, ученикам задали домашний проект, который включает в себя не только получение теоретических знаний о строении ДНК, но и создание модели оной. C этой моделью потом нужно выступать перед учителем и классом, рассказывая, что там в ней и как.
Вообще, это будет не совсем “мой” пост. Он, скорее посвящен дочери. Хотя я и принимал некоторое участие в процессе, в основном это участие сводилось к консалтингу… Однако, вдруг кому будет интересно или, вдруг у кого ребенку в школе зададут сделать аналогичную шнягу. Вот и руководство готовое получится.
Согласно условиям задачи, модель должна удовлетворять определенным требованиям. Интересно, что ученик сам может выбрать, какие условия он выполнит. Каждый пункт презентации “весит” определенное количество зачетных баллов. Соответственно, можно пойти по простому пути и набрать некий минимальный проходной балл или попробовать реализовать “программу максимум”.
Исходная постановка задачи:
Так же, как следует из задачи, это не обязательно должна быть именно модель. Это может быть что угодно – от книжки с рассказом до пазла. Главное, чтобы это имело некое физическое представление. Отдельно отмечено, что, если ученик решит делать именно модель, то запрещается использовать готовый магазинный набор. Типа такого , например.
Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.
Начали с компьютерной модели… Я на самом деле – не настоящий сварщик. Ну, т.е., в общих чертах знаю, что такое ДНК, из чего она состоит и как её принято изображать. Не более того. Поэтому уже с самых первых шагов, инициативу перехватила дочь. Она смогла растолковать мне что из чего состоит и что к чему прикрепляется.
Вышло что-то вроде такого:
Когда стало понятно. какие запчасти нам понадобятся, отправились по магазинам.Понадобится: пенопластовые шарики двух размеров, деревянные прутки, краска, клей и кусочек MDF для подставки.
Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:
Если честно, я сам не очень понимаю за каким хреном нужен Пес, но зато у него самого уверенности в этом хватило на нас всех. На самом деле, он только мешался… Но может быть я просто что-то недопонял.
Пенопластовые шарики были куплены в “долларом” магазине. В разделе “все для вечеринок”. Даже не хочу пытаться понять, как в контексте вечеринки могут быть использованы пенопластовые шарики. Но хорошо, что они нашлись. Это был у нас самый проблематичный момент. Нужно было найти такие шарики, которые было бы легко обрабатывать. Например, стеклянные шарики не подойдут – запаришся сверлить. Деревянные… В принципе, подошли бы. Для меня. Но работать предстояло дочери и я сомневался, что она вот так сходу сможет ровно продырявить деревянный шарик ручной дрелью. Половину запорет с непривычки. А они достаточно дорогие. Нужен был более мягкий и дешевый материал. Пенопласт подошел просто идеально.
Деревянные рейки были куплены в магазине стройматериалов. Эти прутки – более тонкие собратья тех, что я использовал для декорирования кровати и тумбочек . С этим проблем не было. Они всегда есть в большом многообразии во всех строительных магазинах.
Краски/клей – тривиально. Взяли обычную краску в аэрозоле. Сперва попробовали на одном из шариков – краска пенопласт не съела. Соответственно купили нужное количество цветов. Клей – обычный ПВА.
Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.
Сперва подставка. Дочь прислушалась к моему совету и распечатала на принтере шаблон, который приклеила на кусок MDF:
Её вариант был – найти блюдце подходящего диаметра и обрисовать по нему окружность. Но я смог её убедить, что такой путь – не путь самурая. Кому, как не мне знать, что у нас в хозяйстве нет блюдец подходящего диаметра с ровной кромкой – все с волнистым краем. Плавали уже – знаем:-)
На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…
Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:
Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:
Получился вот такой диск:
Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:
Далее предстояла сама занудная операция. Нужно было взять пенопластовый шарик и просверлить в нем два сквозных отверстия крест накрест. Через первое отверстие такой шарик насаживается на общую ось, в другое отверстие, с обоих его концов втыкаются поперечные палочки. Таких шариков нужно было сделать десять штук:
Труднее всего было мне. Вы не представляете себе, какая это пытка – стоять и смотреть. Вместо того, чтобы самому схватить дремель и быстро насверлить все за пару минут. Дочь управилась где-то за пол часа… Неспешная методичность с которой она все это проделывала – просто убивала меня:-)
Полученный результат она назвала шашлыком:
Теперь в шашлык предстояло напихать поперечные палочки. Они были нарезаны все из того же деревянного прутка, что и центральная ось:
Опять же, она хотела резать палочки ножовкой, но мне удалось убедить её, что отрезной диск и дремель – гораздо быстрее.
Следующий этап: взять полученные палочки:
… и напихать их в полученный ранее шашлык:
Это нужно было для того, чтобы приклеить центральные шарики (кстати, это вам не фигня какая, а самые настоящие водородные связи) с общей палке. На фото можно увидеть, что к основанию прицеплен очередной шаблон на котором размечены сегменты. Поперечины втыкаются в шарик, на центральную ось наносится клей, шарик выставляется на нужной высоте и поворачивается вдоль нужного сектора разметки. Т.е. на данном этапе, поперечины помогают позиционировать центральный шарик с нужным углом поворота. Повторить десять раз:
После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:
Как все высохло, приступили к финишной сборке.
На каждую поперечную палочку прицеплялась деоксирибоза… Кажется… Deoxyribose в оригинале. Пес его знает, что это… Не важно. Главное, что дочь знает, что это. Ей перед учителем презентуху толкать, а не мне:-)
Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:
Долгий и кропотливый процесс сборки модели:
Осталось добавить только фосфатные цепочки (phosphates). Насколько мы поняли, их и принято изображать в виде той самой, узнаваемой двойной спирали.
Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:
Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:
На этом этапе я впервые принял личное участие. Двух рук оказалось недостаточно. Надо, чтобы кто-то один держал и направлял полоски, а второй – мазал клеем и прижимал.
Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:
Согласно условиям задачи, нужно было так же, обозначить все запчасти. Решили ограничиться прилепливанием легенды к подставке. Как назло, кончились цветные чернила в принтере. Поэтому пришлось напечатать ч/б вариант и раскрасить его фломастерами:
Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:
Не знаю в чем дело было. Я уже сто раз пользовался этим агрегатом и ни разу до этого он ничего не жевал… Так или иначе, свою этикетку мы получили:
Модель готова:
Теперь дочери надо вызубрить устную часть презентации. Но с этим я уже помочь ей никак не могу. Надеюсь справится сама. Еще неделя у нее есть на зубрежку теоретической части. Напишу потом, как отсрелялась с проектом..
Всем привет, меня зовут Александр Соколов, и я хочу рассказать, как сделал дома секвенатор – прибор для расшифровки ДНК. Рыночная цена такого прибора составляет около 10 миллионов рублей.
Краткий экскурс в генетику. Если вдруг вы помните, в 2003 г. было сделано сенсационное заявление: ученые, наконец, расшифровали геном человека. Геном построен из ДНК, а ДНК – это исходный код организма. ДНК представляет собой двойную цепочку, состоящую из 4-х видов нуклеотидов, которые повторяются в геноме человека порядка 3 млрд. раз. Так же, как в битах зашифрована вся информация на вашем компьютере, в нуклеотидах зашифрована инструкция о сборке всех белков человеческого тела. То есть зная, в какой последовательности расположены нуклеотиды в ДНК, мы теоретически можем собрать все необходимые белки и получить модель человека. Так вот в стандартном понимании ученые не расшифровали ДНК, а просто перевели химическую последовательность в набор нулей и единиц на компьютере. Что делать с этим дальше – отдельный разговор. Например, на данный момент нам ясна функция лишь 5% всего массива генома (это кодирование белков). Чем занимаются остальные 95%, можно только предполагать.
В 2003 году стоимость секвенирования ДНК человека составляла около 100 млн долларов. С течением времени эта цифра уменьшалась и сейчас она приближается к тысяче долларов. Вы платите, вашу ДНК секвенируют и отдают вам жесткий диск с 3 ГБ информации – вашим геномом в цифровом виде.
Сегодня на рынке представлено три основных секвенатора. Самый производительный, Hiseq, и его приемник NovaSeq, обеспечивает самое дешевое (флуоресцентное) секвенирование. Один его запуск длится несколько дней, и за это время обрабатываются геномы сразу нескольких человек. Однако сам запуск стоит около десятка тысяч долларов. К слову, и сам прибор стоит порядка $1 млн, а, поскольку устаревает он примерно за 3 года, для того, чтобы он окупился, он должен приносить вам $1000 в день.
Второй прибор появился на рынке буквально прошлым летом. Он называется Nanopore и базируется на очень интересной технологии, когда ДНК секвенируется путем пропускания через нанопору. Самый дешевый вариант Nanopore позиционируется как одноразовый домашний секвенатор и стоит $1000.
Третий прибор – PGM, полупроводниковый секвенатор, который стоит $50 000 у себя на родине и около 10 млн рублей (с доставкой, растаможиванием и т. д.) в России. Процесс секвенирования на нем занимает порядка нескольких часов.
Что ж, десяти миллионов у меня не было, а PGM захотелось. Пришлось сделать самому. Сначала вкратце о том, как происходит полупроводниковое секвенирование. Вся цепочка ДНК делится на фрагменты длиной по 300-400 нуклеотидов, называемые ридами. Затем риды прикрепляются к маленьким сферам и многократно копируются – в итоге на каждой сфере «висит» целый пучок одинаковых фрагментов ДНК. Копирование нужно для усиления сигнала от каждого конкретного рида. Набор разных сфер называется библиотекой ДНК.
Сердцем PGM является одноразовый чип – матрица, похожая на матрицу в фотокамере, только вместо пикселей, реагирующих на свет, здесь pH-транзисторы, реагирующие на изменение кислотно-щелочного баланса. Полученная библиотека ДНК загружается на чип, содержащий 10 млн лунок, на дне каждой из них находится pH-транзистор. В лунку умещается только одна сфера и, следовательно, риды только одного типа (с одной определенной последовательностью нуклеотидов). Далее на чип подаются реагенты таким образом, чтобы ДНК начала себя копировать. А копируется она линейно, то есть нуклеотиды прикрепляются к вновь создаваемой цепочке в том порядке, в котором они стоят в материнской цепочке. Поэтому на чип подается один тип нуклеотидов – и тут же фиксируется изменение pH в некоторых лунках (это значит, что в них произошло присоединение данного нуклеотида). Далее подается другой тип нуклеотидов и фиксируется изменение pH в лунках и т. д. Таким образом, подавая на чип все 4 типа нуклеотидов много раз, мы можем получить информацию о последовательности нуклеотидов в каждом риде. Затем математическими способами прочитанные короткие отрезки собираются на компьютере в единую цепочку. Чтобы собрать ее более-менее уверенно, каждый рид нужно прочесть примерно по 100 раз.
Рис.1. Полупроводниковое секвенирование
Теперь разберемся, из чего состоит сам прибор. Имеется, как мы уже знаем, чип, а также система подачи реагентов и материнская плата. Все секвенирование ведется именно на чипе – остальной аппарат только передает на него определенные сигналы, подает реагенты, считывает с него аналоговые сигналы, оцифровывает их и гонит полученный поток информации на компьютер, где данные накапливаются и обрабатываются.
Рис. 2. Устройство секвенатора
Чип позиционируется как одноразовый и после использования выкидывается. Соответственно, там, где работает PGM, такие чипы можно достать бесплатно в любом количестве. Зачем их доставать, спросите вы? Дело в том, что чип мне уже удалось использовать многократно. По сути он вечен: достаточно хорошо промывать его – и можно применять вновь и вновь. По точности работы он ничем не будет отличаться от нового. Сама моя идея заключалась в том, чтобы сделать прибор под этот условно бесплатный чип.
Итак, передо мной встала задача реверс-инжиниринга чипа. Разумеется, никакой документации на заветную микросхему найти было нельзя – производитель не собирался делиться секретами производства, а хотел спокойно продавать свои приборы за $50 000. Для начала я сделал самое очевидное и простое: прозвонил контакты тестером. Стало ясно, где расположены цифровые и аналоговые входы-выходы, питание и прочее. Кое-какую информацию удалось почерпнуть из патентов на чип. Но всего этого, понятно, было недостаточно для создания полноценного продукта. Я еще повозился с чипом, проверял разные свои догадки, поэкспериментировал с подачей сигналов, но никуда принципиально не продвинулся. Пришлось поставить проект на паузу.
Рис. 3. Прозвонка чипа
А затем внезапно на Habrahabr мне попалась статья известного блоггера BarsMonster о том, как он делает реверс-инжиниринг чипов! Воодушевился, написал ему, написал другим энтузиастам, отправил запрос в Киев, где занимались фотографированием чипов. Из Киева ответили, что полировать по слоям они не умеют, могут только отснять верхний слой, а так как мой чип – многослойный, будет не понятно, куда идут дорожки от контактов. Потом познакомился с одним американцем, который тоже занимается реверс-инжинирингом чипов, послал ему свои микросхемы, но и тут дальше фотографирования верхнего слоя дело не пошло. Затем наткнулся в интернете на статью про тех, кто смог отреверсить чип Sony PlayStation и пр. («Слава героям!» и вот это все, если кто в курсе). Решил написать им с вопросами, нашел их ники – и тут же понял, что один из них мне знаком. Недавно товарищ свел меня со своим другом, который «тоже занимается генетикой на любительском уровне», мы пообщались с этим другом в Skype и на этом диалог закончили. И вот я понимаю, что мой новый приятель – мегакрутой мастер реверс-инжиниринга чипов. Тут же написал ему. Однако выяснилось, что, хоть помочь он и готов, у него нет микроскопа. Снова тупик.
А через несколько месяцев нужный микроскоп нашелся в соседней лаборатории! Правда, встроенная в него камера была ужасной, я фотографировал на мобильный телефон через окуляр и получал снимки вот такого качества:
Рис. 4. Чип под микроскопом
Затем на последний Новый год отличный микроскоп за 130 тыс. появился у меня на работе (я – специалист по квантовой криптографии). Мечты сбываются. Наконец, я смог нормально сфотографировать чип сверху.
Рис. 5. Мой рабочий микроскоп
А потом… Потом мне все-таки пришлось самому освоить технику его полировки. Трудность полировки заключается в том, чтобы снимать слои металла толщиной порядка 1 микрона – при этом ширина чипа составляет 1 сантиметр. Для сравнения скажу, что это примерно то же, что допустить на 1 км погрешность не более 10 см. Я очень старался. Результаты моих трудов представлены на следующем фото:
Рис. 6. Реверс-инжиниринг под оптическим микроскопом
Довольно хорошо видны нижний кремниевый слой, верхний слой с транзисторами, первый, второй, третий и четвертый слои металла.
Чип состоит из повторяющихся зон (типа сдвиговых регистров), и по таким картинкам было очень удобно его анализировать: сразу становилось ясно, что происходит на разных слоях. Я «отреверсил» самые «нафаршированные» участки с обилием логики, которые многократно повторялись. Но самым сложным оказалось отследить трассы, идущие по всему чипу, понять, какой внешний контакт к чему относится. С новогодних праздников до конца февраля, я, вооружившись новым прекрасным микроскопом, корпел над этой задачей – сидел на работе до десяти ночи, «реверсил», думал. И тут произошло новое чудо: товарищ смог организовать бесплатную фотосъемку чипа по слоям на электронном микроскопе в МИРЭА. «Фотосессия» крохи в 1 кв. см представляла собой 50 ГБ черно-белых фотографий.
Теперь все эти отдельные фотографии нужно было каким-то образом объединить в одну целую картинку. Чуть ли не в тот же день я написал на «питоне» программу, которая генерировала HTML-файл – при его открытии в браузере я получал требуемое. (Кстати, самая старая 10-я Opera справилась с этим лучше всего, рекомендую!) Затем на javascript написал еще одну программу, позволяющую сравнивать слои, плавно переходить между ними, выравнивать их, подбирать масштаб и т. д. Наконец, в моих руках были все инструменты для решения главных задач. Я отследил трассы, пронизывающие чип, и восстановил всю его структуру до последнего транзистора.
Еще одна фотография среза чипа, сделанная под рентгеном (в МИРЭА):
Рис. 7. Съемка под электронным микроскопом
Хорошо видны лунки, куда попадают сферы с ридами. Ниже располагаются три слоя металла, а еще ниже – слой с транзисторами.
Следующим этапом борьбы за светлое будущее стало создание под чип материнской платы. Спроектировал ее и отправил заказ на производство. А пока суд да дело использовал для работы с чипом плату «Марсоход-2» с FPGA. (FPGA – это, грубо говоря, массив из 10 000 универсальных логических элементов; программируя FPGA, мы можем получать любую логическую схему, легко обрабатывающую гигабитные потоки информации.) Прошивку для FPGA я написал сам, а кроме того, для динамического управления системой написал софт, который задает всю конфигурацию для FPGA. Потом вновь образовался полугодовой перерыв (ездил в командировку на Байкал, готовил в лаборатории установку, которую демонстрировали Путину). Но в конце концов звезды сошлись: у меня появилось время, приехали готовые платы – и я собрал свою систему.
Рис. 8. Создание «железа»
Подал все необходимые сигналы и – о, чудо! – увидел на осциллографе сигнал с чипа. (Осциллограф я купил когда-то за 6 000 рублей на eBay, еще 1 000 стоила прошивка к нему.) На картинке хорошо видны пятна – капельки какого-то реагента.
Рис. 9. Сигнал с чипа на осциллографе
Теперь мне нужно было придумать, как оцифровать эту картинку и передать ее на компьютер. Я собрал вот такую установку:
Рис.10. Схема прибора
Рис. 11. Готовая установка
Есть компьютер, который подает данные управления на плату с FPGA. Плата генерирует цифровые сигналы и отправляет их на чип. Сигнал с чипа идет на усилитель, далее – на АЦП на плате, оцифровывается и передается через COM-порт на компьютер. Вообще, пропускная способность COM-порта невелика: 15 килобит в секунду (т. к. в одном чипе находится от 1 млн до 10 млн «пикселей», а максимальная скорость передачи – 115200 бод). Тем не менее картинка на компьютер в итоге попадает.
Рис. 12. Обработанный сигнал на компьютере.
На фото выше видно, что, когда на использованный б/у-шный чип подается библиотека ДНК, чип заполняется неравномерно: по краям – в меньшей степени. Разные цвета обусловлены разным напряжением на pH-транзисторах. То есть мы можем ясно различить те лунки, куда попали сферы с ридами – впоследствии это поможет нам контролировать промывку чипа.
Соответственно, следующей задачей стала промывка чипа. Нужно было добиться, чтобы он стал, как новый. К счастью, у меня имелся совершенно новый чип в качестве референсного образца. На илл. А видно, что в активной области такой чип практически одного цвета (вертикальные повторяющиеся полосы – это просто шумы, наводки).
Рис. 13. Промывка чипа
На рис. 13 B неудачно промытый чип – он разноцветный. На рис.13 D – использованный, но хорошо промытый чип. Видно, что градиент по краям исчез. Тем не менее стоило бы еще доказать, что он действительно чистый и может использоваться повторно.
Поскольку библиотеки ДНК прикрепляются к танталовому покрытию чипа в кислой среде и открепляются – в щелочной (то есть при высоком pH), то чип промывается с помощью специальных полуавтоматических пипеток растворами с разными pH. На сегодняшний день мне удалось добиться практически полной очистки чипа.
У меня интересовались, почему, когда я полностью разобрался в структуре чипа, я не стал заказывать его изготовление, а предпочел по-прежнему искать и доставать б/у-шные, возиться с их промывкой и т. п. Да потому, что разработка микросхемы стоит огромных денег, миллионы долларов, и солидная часть этой суммы уходит на физическую отладку полученного продукта: подгонку, настройку всех параметров транзисторов и т. д. То есть просто скопировать логическую схему – недостаточно. Поэтому я беру условно бесплатную, уже готовую – спроектированную, изготовленную, отлаженную – микросхему и таким образом экономлю значительные средства, серьезно удешевляю проект.
Следующей моей задачей было собрать более продвинутый прибор, который позволял бы быстрее передавать информацию на компьютер и при этом не состоял бы из огромного количества отдельных плат.
Рис.14 Разработка следующей версии прибора
Я взял новую плату с FPGA – на том же кристалле здесь было 2 ARM-ядра с Linux, имелся Gigabit Ethernet и прочие «плюшки», но зато, в отличие от предыдущего варианта, не было АЦП. Позже спроектировал еще одну плату, с высокоскоростными АЦП и всеми другими необходимыми элементами. Запустил – все заработало.
Что осталось сделать для появления финального прибора? Всего три вещи.
Первое. Нужен гигабитный интернет, быстрая передача данных на компьютер. Это я реализовал буквально вчера.
Второе. Система подачи реагентов. Проектирование специального клапана уже в процессе.
Третье. Софт для обработки информации с чипа. С ПО пока есть вопросы, поэтому приглашаю к сотрудничеству программистов.
Финальный прибор стоит 10 млн рублей. Себестоимость секвенирования составляет несколько тысяч долларов. Чипы обходятся от 100 до 1000 долларов – в зависимости от количества «пикселей» в них. (К слову, восстановление чипов само по себе может стать неплохим заработком, особенно учитывая, что для промывки нужно сделать лишь пару кликов.) Реагенты тоже покупаются, но в перспективе будут создаваться и они.
В общем все это очень интересно, но главное – за этим будущее. Сегодня биотехнологии занимают в мировом научно-техническом прогрессе то же место, что компьютерные технологии в 80-х гг. прошлого века. При этом секвенирование – одно из ключевых направлений для современной биологии и медицины. Ну и, конечно, биотехнологии – это очень прибыльно.
В последнее время на рынке появился полупроводниковый секвенатор S5, и в ближайшее будущие я планирую переключиться на него.
Буду рад пообщаться со всеми, кто захочет тем или иным образом поучаствовать в развитии этого проекта!
Проект был бы не возможен, без теоретической подготовки