Biotech-Firmen bieten die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts immer günstiger an. Die neuen Sequenzierverfahren helfen Medizinern, Ökologen – und der Kripo.
Der Bakterienmix auf dem Daumen des Tatverdächtigen entsprach genau dem Muster, das die Kripo-Experten auch auf der Mordwaffe gefunden hatten – 32 Prozent Bacteroidales, 20 Prozent Staphylokokken, 12 Prozent Propionibakterien und weniger als ein Prozent Clostridien. Michael S. galt als überführt, und der Richter verurteilte ihn wegen Mordes zu einer lebenslangen Gefängnisstrafe.
Ein bakterieller Fingerabdruck anstelle eines biometrischen? Die Besiedlung auf der menschlichen Haut ist individuell so verschieden, dass man mithilfe dieser Information sogar Spuren von eineiigen Zwillingen zuverlässig unterscheiden kann. Das hat der amerikanische Wissenschaftler Noah Fierer in einer 2010 veröffentlichten Studie gezeigt. Welche Arten von Bakterien mit welcher Häufigkeit in einer beliebigen Probe vorkommen, lässt sich mittlerweile auch kostengünstig und schnell feststellen. Enorme technische Fortschritte bei der DNA-Sequenzierung machen es möglich.
Die Entwicklung völlig neuartiger Methoden hat die Kosten für die Entschlüsselung genetischer Information innerhalb der letzten zehn Jahre schneller sinken lassen, als das Moore’sche Gesetz erlaubt. Nach diesem Gesetz verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit der Computer-Hardware alle zwei Jahre. Nur als Anhaltspunkt: Die erste Sequenzierung eines menschlichen Genoms im Rahmen des weltweiten Humangenomprojekts dauerte mehr als zehn Jahre und verschlang fast drei Milliarden Dollar. Heute liefern sich die Biotech-Firmen ein Rennen, wer als erste anbieten kann, die DNA-Information ihrer Kunden für unter 1000 Dollar zu entschlüsseln.
ALLE GENE IN 15 MINUTEN
Zu den Favoriten gehört die Firma Oxford Nanopore, die Anfang 2012 ein Gerät von der Größe eines USB-Sticks vorstellte, das 900 Dollar kosten soll und ein menschliches Genom innerhalb von 15 Minuten sequenzieren kann. Der MinION soll in den nächsten Monaten auf den Markt kommen. Aber was fangen wir mit den Unmengen an G-A-T-C-Sequenzdaten an, die man uns nun bald nachwerfen wird? „In der polizeilichen Praxis finden die neuen Sequenziermethoden derzeit noch keine Anwendung”, sagt Barbara Hübner, Sprecherin des Bundeskriminalamts in Wiesbaden. Aber in ein paar Jahren werden Verfahren, die wie der bakterielle Fingerabdruck auf den neuen Techniken basieren, mit Sicherheit auch bei der Aufklärung von Verbrechen eine Rolle spielen. Wenn sehr wenig Ausgangsmaterial vorhanden ist, um einen genetischen Fingerabdruck eines Täters zu erstellen oder wenn DNA-Mischspuren getrennt werden müssen, nutzen Forensiker bereits heute in Einzelfällen Analysemethoden, die auf den neuen Sequenzierverfahren beruhen.
In der Medizin ist man schon weiter. Vor allem in der Diagnostik werden die neuen Verfahren von Jahr zu Jahr häufiger verwendet. So setzt beispielsweise das Tübinger Unternehmen „ CeGaT” (Center for Genomics and Transcriptomics) voll auf die verbesserten Technologien. Unter der Leitung der Ärztin und Neurowissenschaftlerin Saskia Biskup entwickeln die Mitarbeiter der CeGaT sogenannte Diagnostik-Panels.
Mithilfe dieser Panels lässt sich mittlerweile bei 60 verschiedenen Krankheitsbildern feststellen, ob die Erkrankung mit bestimmten Mutationen im Genom in Zusammenhang steht. Welche Rolle die neuen Sequenzierverfahren hierbei spielen, erklärt Biskup so: „Früher hat man ein, zwei, höchstens drei Gene untersucht, was mit gewaltigen Kosten verbunden war. Und wenn man nichts fand, hat man irgendwann aufgehört zu suchen. Mit der neuen Methode prüfen wir Hunderte von Genen gleichzeitig.” Die Chance, eine Mutation zu entdecken, die hinter einer Erkrankung steckt, ist also viel höher, und auch die Kosten halten sich in Grenzen.
Für die Patienten besteht der größte Nutzen einer genetischen Diagnostik zunächst darin, dass die Diagnose sicherer wird. „Für Eltern, deren Kinder an einer Epilepsie leiden, kann es eine große Erlösung bedeuten, zu erfahren, dass die Krankheit durch eine Mutation entstanden ist und nicht etwa durch einen Schaden bei der Geburt oder eine falsche Ernährung”, erläutert Saskia Biskup. „Weitere Vorteile bestehen darin, dass man mithilfe dieses Wissens abschätzen kann, wie eine Krankheit verlaufen wird und in bestimmten Fällen auch die Therapie entsprechend anpassen kann.”
BEEINDRUCKENDE TREFFERQUOTEN
Natürlich wird nicht jede Krankheit von einer Mutation verursacht, und selbst mithilfe der Diagnostik-Panels kann man nicht bei jedem Patienten die relevante Gen-Veränderung aufspüren. Doch auch wenn man dies berücksichtigt, sind die Trefferquoten der Panels noch beeindruckend: In einer Studie wurde das Genom von 100 Patienten mithilfe eines CeGaT-Panels gescreent. Dabei fahndete man gezielt nach Mutationen, die erbliche Augenerkrankungen wie Retinitis pigmentosa oder Makuladystrophie auslösen können. Ergebnis: Bei 57 Patienten wurde die entsprechende Stelle im Erbgut aufgespürt, darunter auch solchen, bei denen man die Ursache ihrer Augenerkrankung trotz intensiver Suche über mehr als zehn Jahre hinweg nicht hatte klären können. In der Praxis ist es zwar noch die Ausnahme, dass der Augenarzt einen Patienten zum Gen-Test schickt, doch das werde sich im Laufe der nächsten Jahre ändern, hofft Saskia Biskup. In manchen Fällen übernehmen die Krankenkassen sogar schon heute die Kosten für den Gen-Test mit dem Diagnostik-Panel.
Das Ergebnis hat auch therapeutische Konsequenzen: Stellt sich bei dem Screening beispielsweise heraus, dass die Netzhautdystrophie eines Patienten auf eine Mutation im Gen RPE 65 zurückzuführen ist, kann möglicherweise schon bald eine Gen-Therapie helfen – klinische Studien hierzu laufen bereits. Gen-Screenings können aber nicht nur bei Kranken Mutationen aufspüren. In Zukunft, so wünscht sich Saskia Biskup, sollen auch Babys auf angeborene behandelbare Stoffwechselerkrankungen getestet werden. Anhand der Testergebnisse wissen die Eltern dann zum Beispiel sofort, ob ihr Nachwuchs auf Milchprodukte mit Blähungen reagieren wird und können diese von Anfang an meiden.
Individuelle Tumortherapie
Große Hoffnungen setzt Saskia Biskup auch in die personalisierte Tumortherapie. Experte dafür ist Hans-Georg Rammensee. Der Professor für Immunologie leitet das Tübinger Institut für Zellbiologie. Aus seiner Forschung sind mittlerweile drei Startup-Unternehmen hervorgegangen, die neue Ansätze in der Krebstherapie verfolgen. Die personalisierte Tumortherapie erforscht er an der Universität. „Diese Art der Therapie basiert darauf, dass jeder Tumor ein anderes Set an Mutationen angehäuft hat. Deswegen muss die Therapie für jeden Patienten individuell entwickelt werden”, erklärt Rammensee. Ein solch aufwendiges Verfahren werde keine Firma in die Hand nehmen.
Hinter der personalisierten Tumortherapie steckt eine recht einfache Idee: Die Mutationen in einer Tumorzelle sind zum Teil dafür verantwortlich, dass der Tumor wächst, zum Teil entstehen sie auch einfach während des Tumorwachstums. Aufgrund der Mutationen in der DNA der Tumorzellen stellen diese Zellen veränderte Proteine her, welche der Körper in kleinere Einheiten, sogenannte Peptide, zerlegt. Durch die verbesserten Sequenzierverfahren können die Mutationen eines bestimmten Tumors innerhalb von wenigen Tagen identifiziert werden. Sobald man die tumorspezifischen Mutationen kennt, kann man Peptide, die aufgrund der mutierten Gene entstehen, synthetisch herstellen und dem Patienten injizieren. Eine Gruppe von Zellen im Immunsystem des Patienten erkennt die injizierten Peptide dann als Fremdstoffe und „präsentiert” sie an der Zelloberfläche. Dies ist das Signal für eine andere Gruppe von Immunzellen, alle Zellen, die diese Sorte von Peptiden produzieren, zu zerstören – also auch die Tumorzellen.
Rammensee sieht in der personalisierten Tumortherapie den entscheidenden Vorteil, dass man damit alle Krebsarten nach demselben Prinzip behandeln kann. Seine Arbeitsgruppe hat die Therapie bereits an einem Patienten getestet und wird demnächst mit ersten klinischen Studien beginnen. Sollten diese Versuche erfolgreich sein, könnte die personalisierte Tumortherapie schnell Routine werden: „Entwicklung und Herstellung von zehn Peptiden für einen Patienten kosten etwa 50 000 Euro. Wenn man noch einmal 50 000 Euro Behandlungskosten dazurechnet, sind wir in derselben Größenordnung wie bei einer heute gängigen Behandlung mit Antikörpern”, rechnet Rammensee vor.
Während die Anwendung der neuen Sequenzierverfahren in der Medizin noch in den Kinderschuhen steckt, sind diese in der Grundlagenforschung bereits fest etabliert. Wir wissen, dass Ötzi zu Lebzeiten braune Haare hatte, die Blutgruppe Null besaß und unter Laktose-Intoleranz litt – weil Wissenschaftler das Genom der Gletschermumie mithilfe der neuen Verfahren schnell und günstig sequenzieren konnten. Sequenzierverfahren der neuen Generation (siehe Kasten links „Sequenzieren leicht gemacht – die neuen Methoden”) halfen auch bei der Analyse der DNA des Denisova-Menschen. Die Informationen waren so aussagekräftig, dass sie es erlaubten, erstmals eine Menschenform zu definieren, von der keine Skelettfunde existieren (bild der wissenschaft 5/2012, „Ein Phantom tritt aus dem Schatten”). 2011 wurde zudem das Genom des Erregers entschlüsselt, der Europa im Mittelalter mit dem „Schwarzen Tod” in Angst und Schrecken versetzt hatte – es war, wie schon lange vermutet, Yersinia pestis.
ERST DIE GENE, DANN DIE ARTEN
„Früher kostete es eine Million Euro, ein Bakteriengenom zu sequenzieren. Heute ist das für weniger als 1000 Euro möglich”, sagt Rudolf Amann, Direktor des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen. Seit gut fünf Jahren kommen die neuen Methoden in seinem Fach zum Einsatz – und sind inzwischen nicht mehr wegzudenken. „Wer heutzutage ein neues Ökosystem untersucht, stellt sich als Erstes die Frage, ob er ein ‚Metagenom‘ machen, also die gesamte in diesem Lebensraum vorkommende DNA sequenzieren möchte”, sagt Amann.
Das heißt: Statt mikroskopisch nach einzelnen Organismen oder bestimmten Arten zu suchen, schaut man sich erst einmal deren Erbinformation an. „Diese Information erlaubt die Formulierung von Hypothesen, die wir dann mit weiteren biochemischen und molekularbiologischen Methoden testen können. Anders ausgedrückt: Wir haben das Buch des Lebens vor uns und können jetzt nach einzelnen Wörtern suchen.”
Diese Suche verlief bisher recht erfolgreich. „Wir wissen jetzt sehr viel mehr über die Artenzahl der Mikroorganismen”, berichtet der MPI-Direktor. „Mittlerweile sind etwa 10 000 Arten bekannt, aber wir haben schon Fingerabdrücke von mehreren Millionen verschiedenen Mikroben gefunden.” Doch Amann sieht auch die Grenzen der schönen neuen Datenwelt: „Wir bekommen zwar viele Daten, aber man muss auch mit ihnen umgehen können. Dazu braucht man gute Datenbanken. Was uns limitiert, sind die Rechnerkapazitäten und die Kapazitäten der Bioinformatiker. Und die Qualität der Sequenzen muss noch besser werden.”
So war es früher Standard, höchstens einen Fehler pro 10 000 DNA-Bausteine zu akzeptieren. Bei den neuen Sequenzierverfahren nehmen die Forscher Fehler von einem Prozent und mehr in Kauf. Für manche Fragestellungen spielt dies keine große Rolle, etwa wenn man einen ersten groben Überblick über die mikrobielle Artenvielfalt in einem Lebensraum gewinnen möchte. In anderen Fällen ist die Qualität der Information noch immer wichtiger als die Quantität. Wenn es etwa um die Überführung eines Mörders geht, müssen die Experten von der Kripo nicht nur schnell, sondern vor allem sicher sein. ■
Biologin MAREN EMMERICH wurde bei ihrer Doktorarbeit über Salzsee-Bakterien auf die neuen Sequenzierverfahren aufmerksam.
von Maren Emmerich
Der besiedelte Mensch
In einer ersten Bestandsaufnahme untersuchten Forscher der University of Colorado in Boulder 27 Körperstellen gesunder Erwachsener. Durch Sequenzierung
eines bakteriellen Schlüssel-Gens unterschieden sie die Besiedler. In den Kreisen innen: Bakterien, die bei jedem Menschen vorkommen, außen: nicht bei jedem.
Die Kosten der DNA-Sequenzierung sind im freien Fall
Nach dem Moore’schen Gesetz verdoppeln Computer alle zwei Jahre ihre Leistungskraft, entsprechend sinken die Kosten. Bei der DNA-Sequenzierungs-Technologie geht die Entwicklung weitaus schneller als bei den Computern.
Sequenzieren leicht gemacht – die neuen Methoden
Um die Abfolge der Nukleotide A, T, C und G in der DNA zu entschlüsseln, verwendete man bis vor Kurzem fast ausschließlich ein in den 1970er-Jahren von Frederick Sanger entwickeltes Verfahren (siehe „Basiswissen Zelle” ab Seite 30). Die Sequenzierverfahren der nächsten Generation, die seit einigen Jahren den Markt beherrschen, sind jedoch sehr viel empfindlicher und preisgünstiger. Es haben sich vor allem drei Varianten etabliert:
· Die Pyrosequenzierung, entwickelt vom Unternehmen 454 Life Sciences: Dabei werden bis zu eine Million DNA-Stücke gleichzeitig kopiert. Dank eines speziellen Reaktionscocktails entsteht jedes Mal, wenn ein Baustein korrekt eingefügt wird, ein Lichtblitz. Das Muster dieser Blitze verrät die Sequenz.
· Das Illumina-System: Auch hier werden viele DNA-Fragmente gleichzeitig kopiert. Die Bausteine sind jedoch mit bestimmten Farben markiert und zudem so modifiziert, dass der Kopiervorgang nach jedem Schritt stoppt. So lässt sich nach jeder Runde per Laser die Farbe jedes DNA-Stücks feststellen. Anschließend werden Markierung und Stopp-Signal entfernt, und es geht in die nächste Runde.
· Das SOLiD-System von Applied Biosystems: Es setzt statt auf einzelne DNA-Bausteine auf Achterketten, sogenannte Oligonukleotide, die ebenfalls mit fluoreszierenden Farbstoffen versehen sind. Sie geben nur dann ein Signal ab, wenn die Sequenz eines dieser Oligos exakt zur vorliegenden DNA passt. Es ist das schnellste System, benötigt jedoch auch die größte Rechnerkapazität.
Noch eleganter sind die Methoden der sogenannten dritten Generation, die gerade Einzug in die Labore halten: Sie können das Entstehen eines DNA-Moleküls fast in Echtzeit abbilden. Für die Sequenzbestimmung mithilfe von Nanoporen benötigt man nur eine einzelne Kopie eines DNA-Stranges: Dieser Strang wird durch eine feine Pore innerhalb einer Membran geleitet, die unter Spannung steht. Wenn ein Nukleotid die Porenöffnung verschließt, ändert sich kurzzeitig die Leitfähigkeit der Membran – und das dauert je nach Art des Nukleotids unterschiedlich lange. ILB
Mehr zum Thema
LESEN
Hintergrund und Anwendungsmöglichkeiten von Sequenzierverfahren der nächsten Generation: Michael L. Metzker Sequencing technologies – the next generation In: Nature Reviews Genetics 2010 Volume 11, S.31–46
INTERNET
Die National Institutes of Health zur Entwicklung der Sequenzierkosten: www.genome.gov/sequencingcosts/
Saskia Biskup
Der zweifache Doktortitel der Unternehmerin deutet bereits an, dass die dynamische 40-Jährige gerne mehrgleisig fährt. So studierte sie Medizin und ein Aufbaustudium Biologie parallel und brachte beide Fächer zur Promotion. Die Idee, eine Firma zu gründen, kam Saskia Biskup während eines Forschungsaufenthaltes in Amerika: „Mir war klar, dass man in der Neurogenetik neue Sequenziergeräte brauchen würde, um neue Gene mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung bringen zu können.”
Allerdings war ihr ebenso klar, dass die nötigen Summen das Budget der in der Wissenschaft üblichen Geldgeber weit übertrafen. Zum Glück ist Saskia Biskups Ehemann Betriebswirt, und so entwickelten die beiden gemeinsam eine Geschäftsidee, aus der dann 2009 das Unternehmen CeGaT hervorging.
Daneben hat die vielseitige Forscherin noch einen weiteren Arbeitsplatz: Im Tübinger Hertie-Institut für klinische Hirnforschung leitet sie eine Arbeitsgruppe, die molekulare Ursachen von Parkinson untersucht.
Kompakt
· Schnelle und preisgünstige Verfahren zur DNA-Sequenzierung eröffnen verlockende Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Mikrobiologie und Forensik.
· Das nächste Ziel ist, die riesigen Datenmengen auszuwerten und die Qualität der Daten zu verbessern.
