In der Reihe „Fragen an die Wissenschaft“ berichtete Maria Fyta von der Uni Stuttgart über DNA-Analysetechnik.
Stuttgart - Die Preise für die Analyse des menschlichen Genoms sind in den vergangenen Jahren dramatisch gefallen: Kostete das Humane Genomprojekt, bei dem 2003 erstmals die vollständige Erbsubstanz eines Menschen entschlüsselt wurde, noch 2,7 Milliarden Dollar, so muss man dafür heute nur noch mit gut 1000 Dollar rechnen. Die Preise dürften noch weiter rapide sinken, wenn sich Nanoporen zur DNA-Analyse nutzen ließen.
Wie dies funktionieren könnte, darüber berichtete jetzt Maria Fyta vom Institut für Computerphysik der Uni Stuttgart in der Reihe „Fragen an die Wissenschaft“ im Stuttgarter Rotebühlzentrum. „Menschliches Erbgut mit Nanolöchern entschlüsseln: Wie es geht und was es nützt“ lautete das Thema ihres Vortrags, der die Zuhörer in die Zwergenwelt von Molekülen und winzigen Strömen entführte – und der die drei Bausteine Nanoporen, Erbgut und Entschlüsselung zu einer faszinierenden Analysetechnik zusammenführte.
Ziel der Entschlüsselung des Erbguts ist es, die Reihenfolge der vier DNA-Bausteine Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin zu ermitteln, zu sequenzieren, wie die Gentechniker sagen. Dabei stehen sich die beiden Basenpaare Adenin und Cytosin sowie Guanin und Thymin stets in der gewundenen DNA-Doppelhelix gegenüber. Daher reicht es, nur einen Strang der doppelsträngigen DNA zu analysieren, um die Reihenfolge der Bausteine zu entschlüsseln. Ein solcher Strang passt nun genau durch eine Nanopore, also ein winziges Loch, das man mit einem Elektronenstrahl durch eine Membran schießen kann. Zudem gibt es auch natürliche Miniporen in bestimmten Molekülen. Der Durchmesser: teilweise kleiner als zwei Milliardstel Meter.
Die Kosten: derzeit tausend Dollar pro Analyse
Befindet sich die Nanopore in einer Salzlösung, dann können Ionen – etwa positiv geladenes Kalium und negativ geladenes Chlorid – durch die Pore fließen, wobei ein winziger ionischer Strom fließt. Schickt man nun einen DNA-Strang durch die Pore, dann ändert sich der ionische Strom – und zwar in Abhängigkeit des jeweiligen DNA-Bausteins, der die Pore passiert. Weil diese Bausteine unterschiedlich groß sind, blockieren sie in der Pore den Ionenfluss verschieden stark. Das lässt sich elektrisch messen, auch wenn die Ströme im Bereich nur von etwa 30 Picoampere liegen, also Billionstel Ampere.
All das ist seit vielen Jahren bekannt und es funktioniert auch im Prinzip. Der Teufel liegt allerdings im Detail: Die Ströme, die bei der Passage der einzelnen Bauteilen fließen, sind zwar minimal unterschiedlich, sie überlappen sich aber so stark, dass die Zuordnung zu einer der vier Basen nicht eindeutig ist. Seit Jahren arbeiten die Forscher nun daran, die Aussagekraft zu verbessern und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen. Eine Möglichkeit ist die Optimierung der Poren, eine andere, die sehr schnelle Passage des DNA-Strangs durch die Poren zu verlangsamen: Wenn Millionen von Basen in Sekundenschnelle durchrutschen, ist bisher jedes Messsystem überfordert. Immerhin: Mit dem nur wenige Zentimeter großen Gerät Minion der britischen Firma Oxford Nanopore lässt sich die DNA von Viren, etwa des Ebola-Virus, heute schon ausreichend genau entschlüsseln. Die Kosten: derzeit tausend Dollar pro Analyse.
Maria Fyta und ihre Stuttgarter Kollegen unterstützen nun die Suche nach Verbesserungsmöglichkeiten mit Rechenmodellen. Am Computer versuchen sie mit mathematischen Methoden zu simulieren, was bei der DNA-Sequenzierung in den Nanoporen passiert. So wollen sie in Zukunft den Experimentatoren wichtige Hinweise geben, wie sich bei der Analyse Verbesserungen erzielen lassen. Das Fernziel ist, dank preiswerter genetischer Analysen Menschen mit bestimmten Krankheiten, etwa Krebs, im Sinne der sogenannten personalisierten Medizin besser zu helfen.