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DNA-Sequenzierung: Raffiniertes Verfahren soll fehlerfrei DNA lesen

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Gegenwärtige Automaten zur Gensequenzierung sind nicht nur klobig, langsam und teuer, sie haben auch den Nachteil, nur DNA-Schnipsel verarbeiten zu können, die anschließend mühsam zusammengepuzzelt werden müssen. Wünschenswert wären also handliche, schnelle und günstige Maschinen, die den Erbgutstrang nehmen, wie er aus der Zelle kommt, und ihn in einem Rutsch sequenzieren.

Als beste Kandidaten für solche "Sequenzierer der dritten Generation" werden derzeit Nanoporen-Geräte gehandelt. Ihr Kernstück ist eine winzige Pore, durch die der DNA-Strang gezogen wird. Dabei misst ein Sensor anhand elektrischer Spannungsänderungen, welcher Baustein gerade die Öffnung passiert.

Ein ganz anderes Verfahren präsentieren nun Forscher um G. Steven Huang von der Nationalen Chiao-Tung-Universität in taiwanesischen Hsinchu. Die Wissenschaftler griffen dazu in die biologische Werkzeugkiste und verwendeten das DNA-Vervielfältigungsenzym eines Virus, die Phi29-DNA-Polymerase, als Alternative zur Nanopore. In Lebewesen dienen diese Enzyme dazu, den komplementären Strang zu einer Vorlage aufzubauen. Das Enzym hangelt sich dazu die Vorlage entlang und heftet an jeden DNA-Baustein sein jeweiliges Gegenstück, das es zuvor aus der Umgebung fischt.

Dieses Enzym fixierten die Wissenschaftler über Antikörper an zwei Goldnanopartikeln, die sie wiederum an Elektroden eines Transistors anschlossen. Gaben sie den zu untersuchenden DNA-Strang in die Apparatur, machte sich das Enzym ans Werk und setzte das Stranggegenstück zusammen. Der entscheidende Punkt: Während das Enzym seine Arbeit verrichtete, ließ sich anhand des Stromflusses zwischen den beiden Elektroden bestimmen, welcher DNA-Baustein gerade im Enzym steckte.

Jedes der A-, C-, G- und T-Nukleotide liefere laut ersten Tests ein eindeutiges, wiedererkennbares Signal. Überdies sei die Phi29-DNA-Polymerase bekannt dafür, kaum Fehler beim Einbau zu machen, so dass die Sequenz des Vorlagenstrangs hochgenau ermittelt werden könne. Bei Messungen von insgesamt 50 000 "Buchstaben" bekannter Teststränge sei kein einziger Fehler aufgetreten. Nanoporen-Geräte haben hingegen Fehlerraten im Bereich einiger Prozent.

Größtes Manko des Verfahrens von Huang und Kollegen scheint jedoch die Lesegeschwindigkeit zu sein. Das Enzym verarbeitet lediglich rund 22 Nukleotide pro Sekunde. Wollte man damit ein komplettes menschliches Genom mit seinen über drei Milliarden Basenpaaren sequenzieren, wäre man gut viereinhalb Jahre beschäftigt, während die DNA-Sequenzierindustrie heutzutage eher eine Viertelstunde pro Genom anpeilt. Zwar ließe sich Huangs Lesevorrichtung grundsätzlich parallelisieren, aber damit wäre ihr Vorteil, auch längere Stränge am Stück verarbeiten zu können, schnell dahin. Eine Anwendung des neuen Verfahrens könnte daher eher in der Kontrolle und Eichung von schnelleren Systemen liegen als im alltäglichen Laboreinsatz, schlagen die Forscher vor.

Zumal die Herstellung der Messapparatur, die Stromflüsse im Bereich von Pikoampere präzise detektieren muss, mit größerem Aufwand verbunden ist, als es bei anderen Geräten der dritten Generation der Fall ist. Das Vorzeigekind der Nanoporen-Technologie etwa, ein handtellergroßes Lesegerät mit USB-Anschluss der Firma Oxford Nanopore, ist als Wegwerfartikel konzipiert und soll nach Angaben des Herstellers schon bald für wenig Geld käuflich zu erwerben sein.

19. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19. KW 2013

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