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Erbgutanalyse mit wachsendem Automatisierungsgrad

Mit einer eigens entwickelten Technologie begann die GATC Biotech AG vor gut zwanzig Jahren DNA-Material zu entschlüsseln. Stolze 1875 Jahre hätte dieses auf elektrischer Spannung basierende Gerät für die Sequenzierung von drei Milliarden Basenpaaren gebraucht. Heute erledigen diese Arbeit beim Konstanzer Unternehmen hochmoderne Sequenziersysteme in nur zehn Tagen. Die nächste Technologie-Generation hat GATC Biotech aber schon fest im Visier: die Einzelmolekülsequenzierung in Echtzeit. Im Interview mit BIOPRO erklärt Thomas Pohl, CTO der GATC Biotech, warum das Unternehmen permanent seinen Gerätepark mit den neuesten auf dem Weltmarkt erhältlichen Technologien erweitert.

Kein Stillstand: Thomas Pohl, CTO der GATC Biotech, ist ständig auf der Suche nach neuen Technologien zur Sequenzierung © GATC Biotech

Herr Pohl, Ihre Labors beinhalten alle weltweit führenden Sequenziertechnologien mit einer Gesamtkapazität von über 20 Terabasen pro Jahr und stets verbunden mit kontinuierlich steigernder Leistung bei deutlichem Zeitvorsprung. Welche Faktoren haben diese Entwicklung ermöglicht?

Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die Sequenziergeräte vermehrt mit hochauflösenden Kameras zur Detektion arbeiten. Zudem spielt auch eine Abwandlung in der Sequenzierchemie eine Rolle sowie die zunehmend effizientere digitale Erfassung von Signalen. Alles in allem resultiert die rasante Leistungssteigerung aus einem Zusammenspiel aus vielen Entwicklungen in unterschiedlichsten Bereichen.

Ihr Gerätepark arbeitet mit unterschiedlichen Technologien wie Sanger, Pyrosequencing und Sequencing by synthesis: können Sie die Unterschiede kurz schildern?

Die Unterschiede liegen in erster Linie in der Detektion der eingebauten Basen. Bei Sanger und Illumina werden fluorezenzmarkierte Moleküle eingebaut und dann über Laseranregung detektiert. Bei Sanger wird Kappilarelektrophorese verwendet, bei Illumina eine sogenannte Flowcell. Im Falle der Pyrosequencing-Technologie wird das Pyrophosphat, welches beim Einbau eines Nukleotides abgespalten wird, über eine sekundäre Enzymreaktion schlussendlich über eine Lichtemission gemessen wird. Beim Sequencing by Synthesis erfolgt die Detektion der Basen schon direkt bei deren Einbau. Ein weiteres Verfahren ist das 'Sequencing by Ligation', bei dem das Anhybridisieren eines Oligos durchgeführt wird.

Eine Ihrer modernsten eingesetzten Technologien ist der Illumina HiSeq2000 mit einer Leistung von 200 Gigabyte pro Lauf. Was bedeutet dies konkret?

Das heißt, dass sich in einem Lauf zwei menschliche Genome sequenzieren lassen. Ein Humangenom verfügt über drei Gigabasen, mit einem HiSeq-Lauf erhält man dann bei zwei Genomen jede Base 30 mal, was heute mit dieser Technik die geforderte Abdeckung für eine anschließende, qualitativ hochwertige Auswertung, zum Beispiel für den Austausch von Basen im Genom, ist.

Die Firma GATC Biotech erweitert ihren Gärätepark kontinuierlich um neue Maschinen und Technologien. Auch die Mitarbeiter müssen immer auf dem neuesten Stand bleiben © GATC Biotech

Können Sie ein Beispiel geben, wovon es im Rahmen von Großprojekten abhängt, ob ein Roche GS FLX oder aber ein Genome Analyzer II oder Illumina HiSeq2000 zum Einsatz kommen?

Bei de novo-Sequenzierungen von größeren Genomen, also größer als bei Bakterien, sollte man die GS FLX-Technologie verwenden, um anschließend eine verlässliche bioinformatische Auswertung durchführen zu können. Die Illumina-Technologie hingegen wird bei Re-Sequenzierungen eingesetzt, wenn schon eine Sequenz vorliegt, mit dem man die neu eingelesenen Daten, die Mutationen enthalten können, abgleichen kann. Ganz vereinfacht ist es also eine Frage, ob man etwas ganz neu sequenziert oder mit etwas Bestehendem vergleicht.

Ab Anfang kommenden Jahres werden Sie mit der Technologie der „Single Molecule Sequenzierung“ eine neue Generation von Technologieplattformen in die Laborroutine implementieren. Wie funktioniert diese und welche Vorteile bringt sie mit sich?

Die Plattform PacBio RS sequenziert und detektiert in Echtzeit. Hier werden wiederum fluoreszenzmarkierte Nukleotide benutzt. Jedoch sind diese sind nicht wie üblich an der Base selbst, sondern an die Phosphatgruppe gebunden. Diese wiederum wird abgespalten und zurück bleibt ein nativer DNA-Strang. Das Ganze findet in sogenannten Zero-Mode-Waveguides (ZMW) statt, eine Art Loch in einem Metallfilm auf einer Glasplatte. In jedem ZMW ist eine Polymerase am Boden fixiert, wo die Sequenzierung stattfindet. Es wird somit immer nur ein Molekül sequenziert.
Der große Vorteil hier ist sicherlich, dass keinerlei Amplifikation mehr nötig ist sowie eine besondere Technik, die sogenannten 'strobe reads', mit denen man Basen in verschieden großen Abständen lesen kann und sich so die Präparation mehrerer DNA-Banken mit verschieden großen Inserts erspart.

Wir prüfen zudem weitere Technologien, die früher oder später kommen werden, wie das 'Ion Torrent'-Verfahren. Hierbei werden keine fluoreszenzmarkierten Nukleotide verwendet. Das Proton, welches beim Einbau der Base abgespalten wird, bewirkt hierbei eine Änderung des pH-Wertes und detektiert damit elektrische Spannung. Ein großer Vorteil ist sicherlich der geringe Gerätepreis sowie die kurze Laufzeit.

Welche Faktoren haben Ihr Unternehmen dazu bewogen, den Gerätepark durch neue Technologien zu erweitern? Liegt es daran, daß die Projektaufgaben immer kniffliger werden und die Anforderungen Ihrer Kunden immer höher, oder ist es mit Ressourcen-Schonung verbunden?

Die Hardware auf dem Sequenziermarkt entwickelt sich rasant. Dabei sind unter anderem Forschungseinrichtungen finanziell nicht in der Lage, immer auf dem neuesten Stand zu sein. Unser Ziel als der Service-Provider in Europa ist deshalb, beispielsweise Hochschulen den Zugang zu den modernsten Technologien kurz nach der Markteinführung zu bieten. Selbstverständlich müssen wir den allgemeinen Trends folgen, mit einem höheren Durchsatz und zugleich auch preiswerter zu sequenzieren. Interessant sind Anlagen, die die Kosten für das eingesetzte chemische Material senken. Alle zwei bis drei Jahre führen wir bei unseren Maschinen einen Generationswechsel durch. Wir investieren hierbei zirka 400.000 bis 500.000 Euro pro Gerät, die wir als Dienstleister innerhalb dieser Zeit natürlich wieder verdienen müssen.

Der hochmoderne Illumina HiSeq2000 hat pro HiSeq-Lauf eine Leistung von 200 Gigabyte. Das reicht für die Sequenzierung von zwei menschlichen Genomen © GATC Biotech

Erfordert der Einsatz neuer, immer besserer werdender Technologien gleichzeitig auch eine längere, intensivere Schulung Ihrer Mitarbeiter aufgrund von beispielsweise gestiegener Komplexität?

In der Tat hat jede neue Entwicklung ihre eigenen Anforderungen. Heutige Technologien werden dabei immer IT-lastiger. Das bedeutet, dass wir neben höheren Rechnerkapazitäten verstärkt Fachkräfte aus der Bioinformatik, Mathematik und Statistik in unser Team einbauen. Die Personalstruktur ist da mittlerweile eine ganz andere. Früher haben wir auf einem gängigen Notebook DNA-Sequenzen verarbeiten können, heute sind ganze Computer-Cluster erforderlich.

Können Sie bereits verraten, welche Innovationen in Zukunft von der GATC Biotech zu erwarten sind?

Es gibt immer noch eine Reihe von Mikroorganismen oder aber auch Infektionskeime in Kliniken, die noch nicht entschlüsselt sind. Hierbei möchten wir mit unseren Partnern aus der Forschung Lücken schließen. Schon heute besuchen wir Firmen, die an Technologien arbeiten, die erst in zwei bis drei Jahren auf den Markt kommen sollen. Insgesamt gibt es fünf bis zehn Firmen weltweit, die an der Entwicklung neuer Sequenziermethoden arbeiten.

Sie sind dank neuester Hardware bereits auch dabei, eukaryotische Genome im Hochdurchsatz zu sequenzieren. Welche Projekte betrifft dies?

Zum einen sind wir in der Initiative des Internationalen Krebsgenom-Konsortiums (ICGC) vertreten, die weltweit zigtausende Humangenome für die Krebsforschung sequenziert. Wir werden bis Ende dieses Jahres über 100 Humangenome sequenziert haben. Daneben sequenzieren wir auch große Eukaryonten de novo, das heißt, wenn das Genom noch nicht bekannt ist. Dabei gehen die Anfragen von Kulturpflanzen bis zu Organismen mit besonderen Eigenschaften, die von wissenschaftlichem Interesse sind.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Mit Hybridisierung ist meist die Zusammenlagerung einzelsträngiger, auch nicht zusammengehöriger Nukleinsäuremoleküle (z. B. DNA-RNA) über Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen gemeint.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Oligo ist eine griechische Vorsilbe und bedeutet: wenig. Beispiel: Oligonukleotid.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen im Körperinneren. Dabei werden Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen gemacht und anschließend rechnerbasiert ausgewertet, um ein dreidimensionales Bild zu erhalten.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
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