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Genomforschung als Informationsforschung

Die DNA-Sequenzierung ist als wissenschaftliche Methode heutzutage unverzichtbar geworden und nicht mehr wegzudenken. Die rasante Weiterentwicklung der Genomanalyse bildet schon heute die Grundlage für Innovationsschübe, die den Bereich der Lebenswissenschaften und der Medizin nachhaltig verändern werden. Vor allem in der Humandiagnostik kommen diese neuen Technologien der Erbgutanalyse immer stärker zum Einsatz, erlauben sie doch die Diagnose seltener Erbkrankheiten oder die Analyse von Krebserkrankungen. Peter Pohl, Geschäftsführer und Mitgründer der GATC Biotech AG, erklärt im Interview, warum die Gensequenzierung zukünftig einen noch höheren Stellenwert einnehmen wird.

Glossar

  • Antigene sind Fremdstoffe, die das Immunsystem zur Produktion von Antikörpern anregen.
  • 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.
  • 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 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.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Die Ribonukleinsäure (Abk. RNS oder RNA) ist eine in der Regel einzelsträngige Nukleinsäure, die der DNA sehr ähnlich ist. Sie besteht ebenfalls aus einem Zuckerphosphat-Rückgrat sowie einer Abfolge von vier Basen. Allerdings handelt es sich beim Zuckermolekül um Ribose und anstelle von Thymin enthält die RNA die Base Uracil. Die RNA hat vielfältige Formen und Funktionen; sie dient z. B. als Informationsvorlage bei der Proteinbiosynthese und bildet das Genom von RNA-Viren.
  • 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.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Translation im biologischen Sinn ist der Prozess, bei dem die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins übersetzt (translatiert) wird. Dieser Vorgang findet an den Ribosomen statt. Nach der Vorlage eines einzigen mRNA-Moleküls können zahlreiche Proteinmoleküle synthetisiert werde
  • Single Nucleotide Polyphormism (SNP), zu deutsch: Einzel-Nucleotid-Polymorphismus, ist die Bezeichnung für Variationen von einzelnen Basen innerhalb eines Genoms. Da sie häufig und sehr variabel auftreten und einfach zu bestimmen sind, wird die Analyse der SNPs zur Identifizierung von Individuen und zur Untersuchung von Verwandtschaftsverhältnissen verwendet. Außerdem geben sie Hinweise auf genetisch bedingte Krankheiten und Medikamentenunverträglichkeiten.
  • Onkologie ist die Wissenschaft, die sich mit Krebs befasst. Im engeren Sinne ist Onkologie der Zweig der Medizin, der sich der Prävention, Diagnostik, Therapie und Nachsorge von malignen Erkrankungen widmet.
  • Eine Biopsie ist eine Entnahme und Untersuchung von Gewebe aus dem lebenden Organismus. Sie wird oft eingesetzt, um zu klären, ob ein Tumor gutartig oder bösartig ist.
  • Biomarker sind messbare Produkte von Organismen (z.B. Proteine, Stoffwechselprodukte oder Hormone), die als Indikatoren beispielsweise für Umweltbelastungen oder Krankheiten herangezogen werden.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Heterogenität bedeutet Ungleicheit bzw. Verschiedenheit in der Struktur.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Drastische Änderung eines bisher vorhandenen Denkmusters. Durch die Änderung wird eine völlig neue Grundlage für die Wissenschaft und die Forschung geschaffen. In der Biologie wird zum Beispiel die Evolution als Paradigmenwechsel zur Schöpfung angesehen.
  • Ein Exom ist die Gesamtheit aller kodierenden Bereiche der DNA in einem Organismus.

Herr Pohl, wo wird die DNA-Sequenzierung heute eingesetzt und warum ist sie für die Medizin so wichtig?

„Im hoch innovativen Umfeld unserer Branche weiß man nie, was am nächsten Tag passieren wird. Das gefällt mir.“ Peter Pohl, Geschäftsführer und Mitgründer der GATC Biotech AG © GATC Biotech

Die moderne Medizin befindet sich derzeit im Wandel von einer empirischen Vorgehensweise hin zu einer wissenschaftlich fundierten. Molekulare Analyseverfahren wie z.B. die Genomsequenzierung ermöglichen ein genaueres naturwissenschaftliches Verständnis der Ursachen und weiteren Entwicklung von Erkrankungen. Bestimmbare Messgrößen, sogenannte Biomarker, werden deshalb verstärkt in Behandlungsprozesse einbezogen.

Der Fortschritt und das immer breiter werdende Anwendungsspektrum auf dem Gebiet der DNA- und RNA-Sequenzierung führen zum vermehrten Einsatz von Genomanalysen im klinischen Alltag. Genetische Merkmale und Ursachen von Krankheiten können so früher erkannt werden und in die Verbesserung der Präventions- oder Therapiemöglichkeiten einfließen.

In den vergangenen Jahren stand zunächst die Entschlüsselung des Erbguts im Vordergrund. Mittlerweile unterliegt die Genomforschung einem Paradigmenwechsel von der Grundlagenforschung in den klinischen Alltag. Die personalisierte Krebsdiagnostik zur individuellen Charakterisierung der Erkrankung, aber auch zur therapiebegleitenden Überwachung, sind hierfür prominente Beispiele.

Warum ist es so wichtig, die Next-Generation-Sequenzierung weiter auszubauen? Wo sehen Sie die zukünftigen Anwendungsbereiche?

Logistik, Standardisierung, Parallelisierung der Prozessabläufe und ein eigens entwickeltes Labor-Informations-Management-System (LIMS) sind Garant für eine schnelle Bearbeitung des Probenaufkommens. © GATC Biotech

Das Anwendungspotenzial der Entschlüsselung der genetischen Information ist enorm. Erstmals ist es möglich, den Informationsgehalt der Evolution zu entziffern und nutzbar zu machen. Genomforschung ist also Informationsforschung und stellt somit eine Schlüsseltechnologie dar. Die Genomanalyse wiederum ist Grundlage für weitere Innovationsschübe im Bereich der Lebenswissenschaften, vor allem in der molekularen Diagnostik, aber beispielsweise auch in der Optimierung industrieller Prozesse zur Arzneimittel- oder Lebensmittelherstellung. Eine weitere Anwendung ist die Erforschung der molekularen Grundlagen von zellulären Prozessen und deren Regulation.

Die Anwendungsmöglichkeiten in der Genomforschung sind vielfältig – von der Exomsequenzierung über die Erforschung des Transkriptomes bis hin zur Epigenetik, der Erforschung der molekularen Mechanismen, die zu einem stärkeren oder schwächeren Ablesen der Gene führt, ohne dass diese Information in der Genomsequenz gespeichert ist.

Diese ist besonders interessant, da neueste Forschungen zeigen, dass die Entstehung von Krankheiten oder die Veränderung von Persönlichkeitsmerkmalen epigenetisch beeinflusst sein können.

Entsprechend dem aktuellen Stand der Wissenschaft und den Anforderungen am Markt arbeitet GATC Biotech an neuen Produkten. Was sind Ihre neuesten Produkte?

Innovation wird in der Produktentwicklung von GATC Biotech groß geschrieben. Es gibt zum Beispiel zwei neue Produkte zur Untersuchung von PCR-Fragmenten von bis zu 3.000 Basenpaaren. Diese ermöglichen Wissenschaftlern die kosteneffiziente Hochdurchsatz-Sequenzierung spezifischer Zielregionen komplexer Genome.

Die neuartige Flexibilität in der Länge ermöglicht die Charakterisierung von benachbarten SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), regulatorischen Sequenzen in den nicht translatierten Regionen sowie anderer genetisch bedingten Charakteristika, welche in der Regel nicht durch kürzere, relativ einfach zu sequenzierende PCR-Fragmente abgedeckt werden. Dies hat den großen Vorteil, dass nicht nur die meisten Gene komplett analysiert werden können, sondern auch benachbarte Bereiche, die unter Umständen Einfluss auf das Übersetzungsverhalten des jeweiligen Gens haben. Da mehrere Abschnitte durch einen einzigen Read an einem Stück abgedeckt werden, können auch Co-Varianten entdeckt und quantifiziert werden.

Spezifische Anwendungen für das Produkt INVIEW AMPLICON Ultra-long sind beispielsweise CRISPR Genome Editing oder Human-Leukozyten-Antigen(HLA)-Typisierung. INVIEW AMPLICON Ultra-deep, zur Analyse von kürzeren Fragmenten bis zu 570 Basenpaaren, ist bestens zur Identifizierung von seltenen Mutationen in komplexen und heterogenen Proben geeignet.

Wer ist die Zielgruppe der neuen Produkte und wo sollen sie eingesetzt werden?

Akkreditierte Prozesse nach ISO 17025 sind die Grundlage für höchste Qualitätsansprüche und Zuverlässigkeit in der Diagnostik. © GATC Biotech

Die Zielgruppen lassen sich meistens nicht ganz klar definieren. Grenzen sind hier fließend, da wir mit unseren Entwicklungen sowohl Mediziner für Anwendungen in der Humandiagnostik oder der translationalen Medizin ansprechen als auch die industrielle und akademische Forschung für verschiedenste Bereiche.

Die Sequenzierung von PCR-Fragmenten wird im medizinischen Bereich für die Detektion seltener genetischer Varianzen, z.B. bei Erbkrankheiten, verwendet. Außerdem ist es eine effektive Methode zur taxonomischen Profilierung mikrobieller Gemeinschaften mit Hilfe der 16S rRNA. Hier reichen die Anwendungen von der Optimierung von Lebensmitteln, kosmetischen Produkten oder Futterzusatzstoffen bis hin zur Analyse von Umweltproben.

Welche Entwicklungen plant die GATC zukünftig?

Weitere Ziele sind die Beschleunigung der medizinischen Forschung, die Verknüpfung phänotypischer Merkmale mit den zugrundeliegenden Genen sowie die Identifikation krebsrelevanter Genvarianten. Schon heute bedient man sich der DNA- und RNA-Sequenzierung für diagnostische Fragestellungen, für Biomarker ID und Medikamentenentwicklung. Dennoch steht die Technologie erst am Anfang ihres vollumfänglichen Potenzials.

Aktuell konzentriert sich unsere unternehmerische Energie auf einen völlig neuen Ansatz für den Bereich der personalisierten Medizin. In einem Early-Access-Programm stellen wir Wissenschaftlern die neuartige GATCLIQUID Technology Suite zur Verfügung, um gemeinsam neue diagnostische Tests im Bereich der Onkologie zu entwickeln. GATCLIQUID liegt ein Verfahren zur Diagnose von Krebserkrankungen aus Blut (engl. Liquid Biopsy) zugrunde. Daraus werden sich Produkte ableiten, mit denen wir bestrebt sind, in den kommenden Jahren Krebs von einer tödlichen in eine chronische Krankheit zu wandeln. Wir sind fest davon überzeugt: GATCLIQUID wird das „Röntgen des 21. Jahrhunderts“.

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/genomforschung-als-informationsforschung/