DNA-Verhalten in Rekordzeit aufklären
"DNA, RNA und Proteine sind die Hauptakteure, die alle Prozesse in den Zellen unseres Körpers regulieren", erklärt der Leidener Professor John van Noort. "Um das (Fehl-)Funktionieren dieser Moleküle zu verstehen, muss man herausfinden, wie ihre 3D-Struktur von ihrer Sequenz abhängt, und dazu ist es notwendig, sie Molekül für Molekül zu messen. Einzelmolekülmessungen sind jedoch mühsam und langsam, und die Zahl der möglichen Sequenzvariationen ist enorm."
Illustration des Sequenzers, der Millionen von DNA-Codes gleichzeitig ausliest.
TU Delft
Von Jahrzehnten zu Tagen
Nun hat das Wissenschaftlerteam ein innovatives Instrument namens SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space) entwickelt, mit dem sich Millionen von DNA-Molekülen gleichzeitig untersuchen lassen. "Herkömmliche Techniken, mit denen jeweils eine Sequenz untersucht werden kann, benötigen in der Regel Stunden an Messzeit pro Sequenz. Mit SPARXS können wir Millionen von Molekülen innerhalb eines Tages bis einer Woche messen. Ohne SPARXS würde eine solche Messung mehrere Jahre bis Jahrzehnte dauern", sagt der Delfter Professor Chirlmin Joo.
"Mit SPARXS können wir große Sequenzbibliotheken untersuchen und so neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie Struktur und Funktion der DNA von der Sequenz abhängen. Außerdem kann die Technik genutzt werden, um schnell die beste Sequenz für Anwendungen von der Nanotechnologie bis zur personalisierten Medizin zu finden", fügt die Doktorandin Carolien Bastiaanssen hinzu.
Noch nie zuvor kombiniert
Für ihre neue SPARXS-Technik kombinierten die Forscher zwei bestehende Technologien, die zuvor noch nie miteinander kombiniert worden waren: Einzelmolekül-Fluoreszenz und Illumina-Sequenzierung der nächsten Generation. Bei der ersten Technik werden die Moleküle mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert und mit einem empfindlichen Mikroskop sichtbar gemacht. Bei der zweiten Technik werden Millionen von DNA-Codes gleichzeitig ausgelesen. Joo: "Es dauerte ein Jahr, um festzustellen, ob die Kombination der beiden Techniken machbar ist, vier weitere Jahre, um eine funktionierende Methode zu entwickeln, und zwei weitere Jahre, um die Genauigkeit und Konsistenz der Messungen zu gewährleisten und gleichzeitig die riesigen Datenmengen zu verwalten."
"Der wirklich interessante und unterhaltsame Teil begann, als wir die Daten interpretieren mussten", sagt Erstautor Ivo Severins. "Da diese Experimente, bei denen Einzelmolekülmessungen mit Sequenzierung kombiniert werden, völlig neu sind, hatten wir keine Ahnung, welche Ergebnisse wir erhalten würden und könnten. Wir mussten viel in den Daten suchen, um Korrelationen und Muster zu finden und die Mechanismen zu bestimmen, die den Mustern zugrunde liegen, die wir sehen."
Überwindung der Herausforderungen bei der Datenverarbeitung
Eine weitere Herausforderung, die es zu bewältigen galt, war die Handhabung der großen Datenmengen, fügt Van Noort hinzu: "Wir mussten eine automatisierte und robuste Analysepipeline entwickeln. Dies war eine besondere Herausforderung, da einzelne Moleküle zerbrechlich sind und nur eine winzige Lichtmenge abgeben, wodurch die Daten von Natur aus verrauscht sind. Außerdem geben die Daten keinen direkten Aufschluss darüber, wie sich die Sequenz auf die Struktur und Dynamik der DNA auswirkt, selbst bei den relativ einfachen DNA-Strukturen, die wir untersucht haben. Um unser Verständnis wirklich zu überprüfen, haben wir ein Modell erstellt, das unser Wissen über die DNA-Struktur berücksichtigt, und es mit den experimentellen Daten verglichen."
Medizinische Fortschritte
Eine präzisere Manipulation und ein besseres Verständnis der DNA-Sequenzen wird wahrscheinlich zu Fortschritten in der medizinischen Behandlung führen, wie z. B. zu wirksameren Gentherapien und personalisierter Medizin. Die Forscher erwarten auch biotechnologische Innovationen und insgesamt ein besseres Verständnis der Biologie auf molekularer Ebene. Joo: "Wir erwarten, dass sich in den nächsten fünf bis zehn Jahren Anwendungen in der Genforschung, der Arzneimittelentwicklung und der Biotechnologie abzeichnen werden."
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