Hintergrund | 23.02.2012 | Drucken | Teilen

Nanoporen-Technologie

Ein DNA-Lesegerät für die Hosentasche

Seit Jahren tüfteln Forscher an der Erbgutsequenzierung mittels Nanoporen. Jetzt ist die Technik plötzlich marktreif geworden: Sie passt sogar in einen handlichen USB-Stick.
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Nanoporen-Squenziergerät
© Oxford Nanopore

Die Idee klingt auf Anhieb überzeugend: Man nehme ein winziges Loch in einer Membran, kaum größer als ein einzelner DNA-Strang dick ist, fädele diesen an einem Ende hinein und ziehe ihn komplett hindurch. Jedesmal wenn eine der Basen A, C, G und T die Engstelle passiert, wird sie von einem Messmechanismus identifiziert, die Daten werden an einen Computer gesendet – und fertig ist sie, die buchstabengetreue Abschrift des genetischen Kodes.

Eine großartige Vorstellung. Keine umständliche Aufbereitung der Probe mehr, kein rechenintensives Zusammenpuzzeln von Millionen Bruchstücken wie bei herkömmlichen Sequenziertechniken. Stattdessen laufen die Daten in Echtzeit ein – und noch dazu schneller als bei allen anderen Verfahren.

Dass dies keine bloße Vision bleiben muss, demonstrierte bereits im Jahr 1996 ein Wissenschaftlerteam um Daniel Branton von der Harvard University [1]. Die Forscher zeigten Wege auf, wie sich die einzelnen Basen beim Durchrutschen durch die nur anderthalb Nanometer große Öffnung identifizieren lassen. Prompt folgte eine intensive Forschungstätigkeit, unterstützt mit Millionen Dollar an Fördergeldern. Zu verlockend war das Versprechen dieser so genannten Nanoporensequenzierung an die Genetiker. Doch wie sooft steckte auch hier der Teufel im Detail.

Selbst nach fast anderthalb Jahrzehnten intensiver Erforschung mangelte es noch an vorzeigbaren Resultaten – was schließlich dazu führte, dass die anfängliche Euphorie immer mehr schwand. Firmen, die an weniger komplexen Sequenzierverfahren der nächsten Generation arbeiteten, hätten "immerhin schon ein bisschen DNA sequenziert. Nanoporen dagegen nichts", sagte noch vor vier Jahren Jeffrey Schloss vom US National Human Genome Research Institute in Bethesda dem Magazin "Nature" [2].

USB-Stick zur DNA-Sequenzierung

Nun aber hat die Firma Oxford Nanopore die Szene gründlich aufgemischt. Auf der Fachtagung "Advances in Genome Biology and Technology" in Marco Island, Florida, stellten sie am 17. Februar zwei Systeme vor, die nach dem Prinzip der Nanoporensequenzierung arbeiten und bereits in der zweiten Hälfte dieses Jahres kommerziell erhältlich sein sollen [3].

USB-Stick mit Nanoporentechnologie
© Oxford Nanopore
 Bild vergrößernUSB-Stick mit Nanoporentechnologie

Beiden Varianten wird das Potenzial zugesprochen, die Genforschung grundlegend zu verändern. Das kleinere, MinION genannt, nimmt gerade einmal den Raum eines leicht überdimensionierten USB-Sticks ein – und funktioniert auch mit Hilfe des PC-Allroundanschlusses. Es könnte vor allem Feldforschern bei der Arbeit behilflich sein. Laut Firmenangaben ist die Bedienung kinderleicht: Ein paar Tropfen Blut in Wasser verdünnt genügten dem MinION-System, erläuterte Chefwissenschaftler Clive Brown auf der Tagung. Das Gerät soll umgerechnet 680 Euro kosten und ist für eine einmalige Benutzung gedacht.

Das größere mit dem Namen GridION erinnert hingegen eher an einen Videorekorder und ist für umfangreiche Analysen im Labormaßstab konzipiert. Die "Videokassette" enthält die eigentliche Porentechnik und ist ebenfalls ein Wegwerfartikel. Preislich soll sich GridION nach Angaben der Firma auf Augenhöhe mit herkömmlichen Sequenzierern bewegen. Die Kosten für die Entzifferung eines kompletten menschlichen Genoms belaufen sich Oxford Nanopore zufolge auf unter 3000 Euro.

Damit sind die beiden Gerätschaften hinsichtlich der Kosten pro entzifferter Base nicht unbedingt die günstigsten am Markt. Aber ohnehin ist der Preis nicht das Hauptverkaufsargument der Entwickler. Dem Vernehmen nach geht es der Firma eher darum, die klassischen Versprechen der Nanoporentechnologie – Schnelligkeit, Einfachheit und Präzision – einzulösen. Wie rentabel die Anschaffung eines ihrer Geräte ist, wird sich allerdings erst dann zeigen, wenn Labors genügend Erfahrungen damit gesammelt haben und die Zuverlässigkeit abschließend beurteilen können.

In ihrer Funktionsweise orientieren sich die beiden Systeme am selben Prinzip, das schon Harvard-Forscher Branton mit seinem Team in den 1990ern vorgestellt hatte. Die Wissenschaftler hatten damals die entscheidende Frage beantwortet, wie sich die DNA-Buchstaben überhaupt identifizieren lassen: anhand ihrer Form und Größe. Jede der Basen blockiert auf charakteristische Weise – manche mehr, manche weniger – die Öffnung. Schleust man nun zeitgleich Ionen durch dasLoch, versiegt der Ionenstrom kurzzeitig und schwillt dann wieder an. Das wiederum erzeugt ein Signal, das sich elektrisch messen lässt. Genau so machten es nun Oxford Nanopore.

Optimierte Poren

Auch beim Bau der Nanopore richteten sie sich nach dem seinerzeit von Branton und Kollegen diskutierten Vorschlag. Die Wissenschaftler verwendeten ein aus dem Bakterium Staphylococcus aureus isoliertes Porenprotein, das alpha-Hämolysin. Dessen sieben Untereinheiten finden sich zu einem Kreis zusammen, in dessen Mitte ein Kanal entsteht, der im Unterschied zu vielen anderen Kanälen in der Zellbiologie dauerhaft offen bleibt. Allerdings veränderten die Entwickler von Oxford Nanopore das biologische Protein an insgesamt rund 300 Stellen, um es für die Aufgabe zu optimieren.

Außerdem erfasst ihr System statt nur einer einzelnen Base das spezifische Signal von drei Basen in Folge. Bei vier verschiedenen Basen ergeben sich also 64 Kombinationen, die auf charakteristische Weise die Ionen am Durchströmen hindern. Das soll die Erkennungsgenauigkeit weiter erhöhen. Was die genauen Details der verwendeten Technik anbelangt, gibt sich die Firma jedoch insgesamt sehr schmallippig.

Größtes Problem bisheriger Ansätze war das unkontrollierte Durchrutschen des Strangs durch die Pore. Treibt man die DNA durch Anlegen einer elektrischen Spannung beiderseits der Membran durch das Loch, nimmt sie weit mehr Fahrt auf als gewünscht. Mitunter können Millionen von Basen pro Sekunde durchrutschen. Jede einzelne davon zu identifizieren, ist schlicht ein Ding der Unmöglichkeit.

Eingefädelt
© Oxford Nanopore
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Die Grafik veranschaulicht, wie ein DNA-Strang durch die Pore geschleust wird: Im oberen Bereich ist das Enzym erkennbar, das mit einer internen Sperrklinke das Erbgut am Durchrutschen hindert. Versieht man das Ende des Strangs mit einer haarnadelartigen Schlaufe, wird zuerst die eine Hälfte des ursprünglichen Doppelstrangs durch die Pore gezogen und dann die spiegelbildliche zweite Hälfte. Das verdoppelt die Daten und dient zur Fehlerkorrektur.

Mit einem Trick überwand Oxford Nanopore nun diese Schwierigkeit. Sie setzen ein Enzym ein, dass sich den Erbgutstrang schnappt und ihn auf Grund eines inneren Sperrmechanismus nur schrittweise wieder freigibt. Das reduziere die Geschwindigkeit auf ein erträgliches Maß. Wie Clive Brown dem Blogger Nick Loman von "Pathogens: Genes and Genomes" erklärte, lasse das Enzym die Nukleotide in der Größenordnung von 120 bis 150 Basen pro Minute passieren. Maximal seien derzeit 500 pro Sekunde möglich.

Menschliche Genome im Viertelstundentakt

Daraus ergibt sich im Umkehrschluss die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Verfahrens. Da Genome üblicherweise in Größen von mehreren Millionen, wenn nicht Milliarden Basenpaaren auftreten, wählte Oxford Nanopore einen naheliegenden Schritt, um den Durchsatz zu erhöhen: Sie vervielfachten die Anzahl der Poren. Derzeit betreiben sie das Großsystem GridION mit 2000 Stück, bis nächstes Jahr soll die Zahl noch einmal auf 8000 erhöht werden. Jede Einzelpore ist von einer mikrometergroßen Schale umgeben, die eine Lösung mitsamt der darin enthaltenen DNA aufnimmt.

Mit ein wenig Mathematik kommen die Forscher so auf erstaunliche Werte: Ein komplettes menschliches Genom lasse sich innerhalb einer Viertelstunde entziffern, wenn man zwanzig der GridION-Module parallel schaltet, heißt es in einer Pressemitteilung. Allerdings dürfte dabei ein gewisser Optimismus hinsichtlich der Lesegeschwindigkeit eingeflossen zu sein. Bei der derzeitigen Höchstgeschwindigkeit ergibt sich jedenfalls rein rechnerisch ein Wert von 40 Minuten. Selbst das wäre allerdings immer noch dramatisch schnell – zumal die mitunter Tage dauernde Vorbereitung der DNA-Probe wegfällt.

Fehlerrate als Manko

Größtes Problem sei derzeit noch die Fehlerrate, die mit vier Prozent vergleichsweise hoch ist, räumen Brown und Kollegen ein. Allerdings gibt sich die Firma zuversichtlich, bis zur Markteinführung bei unter einem Prozent zu landen. Beobachter der Szene, wie Chad Nusbaum vom Broad Institute im US-amerikanischen Cambridge, halten die Angaben von Oxford Nanopore für glaubwürdig. Es sei sogar anzunehmen, dass die Firma eher tiefstapelt, um ihr Vertrauen bei zukünftigen Kunden nicht zu verspielen.

Denn der Wettbewerb ist groß. Im vergangenen Jahrzehnt haben Forschungsinstitute zahlreiche parallele Wege eingeschlagen, um die Nanoporentechnologie zur Marktreife zu bringen. Anstelle von alpha-Hämolysin könnten weitere Proteine zum Einsatz kommen, andere Forscher experimentierten mit einer durchlöcherten Schicht aus Graphen und wiederum andere maßen statt der Schwankungen im Ionenfluss den elektrischen Strom, der von der im Loch steckenden Base weitergeleitet wird.

Es überrascht daher nicht, dass sich zwischenzeitlich die Konkurrenz zu Wort gemeldet hat. Stefan Roever von Genia Technologies in Mountain View, Kalifornien, sagte beispielsweise gegenüber dem Internetmagazin "Bio-IT World", seine Firma werde im kommenden Jahr ebenfalls ein Nanoporensystem auf den Markt bringen, das "bis zu eine Million Poren" auf einem Chip enthalte und ebenfalls in ein Gerät von der Größe eines USB-Sticks passe.

Über kurz oder lang – womöglich schon im nächsten Jahr – würden Firmen in der Lage sein, die Entzifferung eines Genoms für 100 Dollar anzubieten, so Roever weiter. Bisher galten 1000 Dollar als magische Grenze, ab der es zu grundlegenden Veränderung in Genetik, Medizin und Forschung kommen würde. Auch Biotechnologie-Blogger Luke Jostins von "Genomes Unzipped" sieht bereits ein goldenes Zeitalter für Sequenziertechnologien der nächsten Generation heranbrechen: "Bei der Geschwindigkeit, mit der sich das Feld derzeit verändert, ist es unmöglich auch nur für die kommenden sechs Monate vorherzusagen, welches Unternehmen die kostengünstigsten Sequenzierungen anbieten wird."

© Spektrum.de

[1] Kasianowicz, J.J. et al.: Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 93, S. 13770–13773, 1996

[2] Sanderson, K.: Personal genomes: Standard and pores. In: Nature 456, S. 23–25, 2008

[3] Brown, C.: Single Molecule "Strand" Sequencing Using Protein Nanopores and Scalable Electronic Devices. Advances in Genome Biology and Technology, Marco Island, 15.-18. Februar 2012