12. Februar 2021 Britta Baur

One `Pore To Rule Them All

© Bruce777

Der Ursprung der Sequenz

Wir schreiben das Jahr 2001 und der kanadischen Rockband Nickelback gelang mit „How You Remind Me“ der weltweite Durchbruch.

Im gleichen Jahr veröffentlichte eine Arbeitsgemeinschaft internationaler Forscher die Ergebnisse des Humangenomprojekts (Human Genom Project (HGP); wurde im Herbst 1990 mit dem Ziel gegründet, das Genom des Menschen vollständig zu entschlüsseln, d. h. die Abfolge der Basenpaare der menschlichen DNA auf ihren einzelnen Chromosomen durch Sequenzieren zu identifizieren. ), und ermöglichten uns so erstmals einen flüchtigen Blick auf das genetische Erbgut des Menschen. Möglich machte dies der „Sanger DNA Sequencer“, ein Apparat, welcher etwa die Dimension eines Kühlschranks hatte, und täglich bis zu 0.01 GB Daten (etwa zwei MP3-Songs) erzeugen konnte.

Mit dieser Technologie war es möglich geworden, 90% des menschlichen Genoms im Laufe weniger Jahre zu entschlüsseln. Zu dieser Zeit eine bahnbrechende Leistung. In Summe kostete das HGP, und damit die Entschlüsselung des Genoms eines einzelnen Menschen, etwa 3 Milliarden USD.

 

Die 3. Generation

Gibbs Kuguru Standing in front of a Sanger Sequencer (© G. Kuguru)

20 Jahre später, mitten in einer globalen Pandemie, schickt Oxford Nanopore Technologies (ONT) kistenweise DNA-Sequenzer (DNA= Desoxyribonukleinsäure) in Länder rund um den Globus, um das neue SARS-Cov-2-Virus schnell erkennen und überwachen zu können. Die so gewonnenen Informationen sollen Virologen dabei unterstützen, die Ausbreitung von COVID-19 einzudämmen, auch in den entlegensten Gebieten.

 

Möglich macht dies ein Sequenzer, welcher problemlos in einer Hand Platz findet und gerade noch etwas mehr als das neueste iPhone kostet. Diese „Nanopore Sequencer“ sind in der Lage, 30 GB an Daten in Echtzeit zu erzeugen, wodurch ein menschliches Genom innerhalb weniger Stunden entschlüsselt werden kann. Das ist nicht nur schnell, die modernen Geräte sind auch wesentlich besser geeignet, umfangreiche Genome zu entschlüsseln als ihre Vorgänger. Aufgrund ihrer hohen Komplexität sind grosse Genome äusserst schwierig zu charakterisieren, und die Technologie des Nanopore-Sequenzers löst dieses Problem im Wesentlichen dadurch, dass der Prozess der Zusammensetzung des Genoms erleichtert wird… aber was hat das eigentlich mit Haien zu tun?

 

Wie gross ist eigentlich ein Hai-Genom?

Verglichen mit Menschen, sind die Genome der Haie bis zu doppelt so gross! Aufgrund der entsprechend hohen Kosten, wurde der Entschlüsselung der Hai-Genome schlichtweg keine Priorität eingeräumt.

2019 wurde dann doch zumindest das Erbgut des Weissen Hais entschlüsselt, und die daraus gewonnenen Erkenntnisse waren absolut überwältigend, unter anderem auch für die biomedizinische Forschung!

Denn insbesondere die Gene des Weissen Hais, welche der adaptiven Heilung zuzuordnen sind, könnten dazu beitragen, die Ausbreitung von Krebszellen auf gesundes Gewebe zu verhindern bzw. dem fortschreitenden Befall Einhalt zu gebieten und somit diese äusserst unberechenbare Krankheit besser beherrschen zu können. Doch trotz all dieser Informationen, bestehen immer noch grosse Unsicherheiten im Bezug darauf, wie DNA tatsächlich funktioniert. Wie kann man der Sache also genauer auf den Grund gehen?

Eine Methode ist, die Genome von Haien miteinander zu vergleichen, um herauszufinden, welche Gene für diese heilenden Eigenschaften verantwortlich sind. Dieses Fachgebiet nennt man “comparative genomics” (vergleichende Genomik). Grundsätzlich gilt: Je mehr Genome entschlüsselt werden, desto umfangreicher werden die Genpools oder vielmehr Genbibliotheken und damit die verwertbaren Informationen. Diesem Ziel waren wir noch nie näher als heute, nicht zuletzt dank der Nanopore-Technologie. Aber es kommt noch viel besser.

 

Hart im Nehmen

Die DNA besteht aus den sogenannten Nukleotiden, die den physischen Aufbau (Bauplan) eines jeden Lebewesens vorgeben. ONT hat ein Verfahren entwickelt, um den Code der DNA in kürzester Zeit zu entziffern. Ein einzelner DNA-Strang (ssDNA) wird durch ein winziges Loch, das als „Pore“ bezeichnet wird, geleitet. Beim Durchleiten verändert sich die Spannung der Pore, da der Leitungskanal teilweise von dem ssDNA Molekül blockiert wird. Da jedes Nukleotid in einem eigenen Spannungsverhältnis zur „Pore“ steht, können die Sequenzen aufgrund der jeweiligen Spannungsverhältnisse bestimmt werden.

Diese Technik ist so zuverlässig, dass die Durchführung von DNA-Sequenzierungen nicht mehr zwingend eine Laborumgebung erforderlich macht. Bis heute haben Nanopore-Sequenzer, wissenschaftlichen Forschern, welche am antarktischen Polarkreis nach Mikrobengemeinschaften suchten, umgeschnallt, auch in einer der unwirtlichsten Gegenden des Planeten volle Leistung erbracht. Die Technologie wurde sogar auf der Internationalen Raumstation in schwereloser Umgebung eingesetzt, und hat optimale Ergebnisse bei der Gewinnung von RNA-Molekülen (RNA=Ribonukleinsäure) erzielt! Dies zeigt nicht nur deutlich, dass die Geräte für die Verwendung ausserhalb eines Labors bestens geeignet sind, sondern eröffnet auch eine völlig neue Welt an Forschungsfragen, welche wir nun in der Lage sind zu beantworten.

 

Gibbs Kuguru Holding a Nanopore Sequencer (© G. Kuguru)

Ich werde die Nanopore-Sequenzierung und vergleichende Genomik einsetzen, um Mutationen im Genom von Schwarzspitzen-Riffhaien zu finden, welche von Leuzismus betroffen sind (https://www.sharkproject.org/pigmentstoerungen-bei-schwarzspitzenriffhaien-was-sind-die-folgen/). Nach der Probenentnahme erfolgt die Sequenzierung in der Forschungsstation direkt am Strand der Insel Kihaaddhufaru, die von “Ocean Dimensions” und “Kihaa Maldives” betrieben wird.

 

Dieses Forschungsprojekt wird durch das „Africa Talent Program“ der Wageningen University & Research sowie durch Sharkproject Switzerland finanziert. Obwohl die technologischen Fortschritte, die dieses Forschungsprojekt überhaupt ermöglichen, bemerkenswert sind, wären die Herausforderungen dieses wissenschaftlichen Abenteuers nicht ohne den grosszügigen, gemeinschaftlichen Einsatz von privater und öffentlicher Hand zu bewältigen.

 

Regelmässige Updates findet Ihr auf diesem Blog!

 

Sharkproject Switzerland unterstützt Gibbs Kugurus Forschungsprojekt und Doktorarbeit zunächst für vier Jahre. Er wird regelmässig über sein Projekt “Inbreeding and the Unexpected Presence of Leucism in Caracharhinus melanopterus” berichten.

Credit Text & Photos: Gibbs Kuguru
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