Studio BeetzDr. Carolin Dippmann und Daria Meyer aus unserem Forschungs- und Entwicklungsteam arbeiten u. a. mit der Methode des „Third Generation Sequencing“. Mithilfe dieser Technologie untersuchen sie DNA (Desoxyribonukleinsäure) aus Tumoren sehr viel genauer, als bisher möglich war.
Die Methode ist ein enormer Fortschritt: Die epigenetischen Veränderungen der DNA verraten uns, wenn sich gesunde Zellen zu Krebs entwickeln. Und mit „Third Generation Sequencing“ können wir diese direkt erkennen.
Unser Ziel bei oncgnostics ist es, solche epigenetischen Marker aufzuspüren. Vor allem bei der Früherkennung von Kopf-Hals-Tumoren steckt die Entwicklung noch in den Anfängen. In verschiedenen Forschungsprojekten, u. a. der OroCa-Graz-Studie, arbeiten wir zusammen mit Klinikern an einem einheitlichen Screening, um die dazugehörigen Krankheiten früher und zuverlässiger als bisher zu erkennen.
Inwieweit dabei das Third Generation Sequencing zum Einsatz kommt und was sich genau dahinter verbirgt, erklären die beiden Wissenschaftlerinnen im Folgenden.
Wie funktioniert das Third Generation Sequencing?
Teil unserer täglichen Arbeit ist es, DNA-Fragmente auf epigenetische Veränderungen, speziell auf DNA Methylierung, zu untersuchen. DNA Methylierungen an bestimmten Basenabfolgen weisen darauf hin, dass sich die betreffende Zelle verändert hat.
Das Third Generation Sequencing ist eine Methode, mit der diese Analysen schneller und effektiver funktionieren. Zudem liefert die Methode die Informationen zur DNA Sequenz in sehr hoher Auflösung: Es werden nämlich einzelne DNA-Moleküle analysiert. Die biologische DNA wird in eine digitale Version übertragen und am Computer auswertbar. Dabei kann auch die DNA Methylierung, die bei der Krebsentstehung auftritt, direkt analysiert werden. Und diese interessiert uns ganz speziell.
Veranschaulicht ist der Prozess in einem Video von „Oxford Nanopore Technologies“ auf YouTube.
Wie unterscheidet sich die Methode von früheren Verfahren?
Mit bisherigen Sequencing Verfahren konnten wir nur die Basenreihenfolge von kurzen DNA-Fragmenten bestimmen (durchschnittlich 300 DNA-Basen). Zudem musste die zu untersuchende DNA im Vorfeld mehrfach kopiert werden, sehr ähnlich der hier erklärten, sogenannten PCR Methode. Außerdem musste die DNA chemisch behandelt werden, um die DNA Methylierung zu erkennen.
Die Third Generation Sequencing Methode vereinfacht diesen Prozess:
- Wir können DNA-Moleküle von bis zu mehreren Millionen DNA-Basen Länge direkt auswerten.
- Dafür sind keine Kopien notwendig. Vielmehr werten wir die einzelnen DNA-Sequenzen direkt aus.
- Entsprechend steigt die Geschwindigkeit, mit der wir die Sequenzen untersuchen: Mittlerweile erheben wir die Daten in Echtzeit.
Welche Art von Daten fällt dabei an?
Im Endeffekt erfasst die Third Generation Sequencing Methode die Änderungen einer Stromstärke und hält diese digital fest. Das funktioniert so: Die zu untersuchende DNA wird auf eine Oberfläche gegeben, die unter einer bestimmten Stromspannung steht. In diese Oberfläche sind winzige Poren aus Proteinen eingebettet. Während der Analyse wandert die DNA in der immergleichen Richtung durch diese sogenannten Nanoporen. Deshalb heißt die Methode auch „Oxford Nanopore Technologie“ (ONT).
Wenn die DNA durch eine Pore wandert, ändert sich die Stromstärke auf der Oberfläche. Das liegt an der räumlichen Anordnung und den chemischen Eigenschaften der DNA-Abschnitte. Sensoren messen diese Änderungen an jeder einzelnen Pore und übermitteln sie an den jeweils angeschlossenen Computer. Anschließend übersetzt ein Algorithmus die Informationen in die Basenabfolge der DNA. Aus dieser lesen wir Auffälligkeiten ab.
Gibt es weitere Vor- oder Nachteile?
Da die Methode noch sehr neu ist, weist sie eine recht hohe Fehlerrate auf. Aktuell erkennt sie nur 95 Prozent aller Abfolgen fehlerfrei. Bei älteren Verfahren sind es 99,9 Prozent. Stetige Entwicklungen verbessern dies mit der Zeit. Dazu gehört auch die Arbeit von Daria Meyer. Sie ist Bioinformatikerin und verbessert im Rahmen ihrer Promotion speziell die Algorithmen, die für die Analyse der epigenetischen Veränderungen wesentlich sind. Zudem optimieren wir stetig die Prozessabläufe bei der Vorbereitung der diagnostischen Proben.
Tatsächlich überwiegen die Vorteile. Das liegt u. a. daran, dass das Analysegerät kaum größer als ein USB-Stick und damit super handlich ist. Von der Arktis bis in die Wüste kann theoretisch überall sequenziert werden.
Was bringt uns das Third Generation Sequencing zukünftig?
Mithilfe der ONT-Sequenzierung wurden bereits große Wissenslücken hinsichtlich des menschlichen Genoms, also der Gesamtheit der DNA eines Menschen, geschlossen. Hierzu erwarten wir weitere Entwicklungen. Und wir leisten gerne unseren Beitrag zur Verbesserung der Technologie.
Der größte Vorteil für uns ist die direkte Lesbarkeit der epigenetischen Veränderungen, also der DNA Methylierung. Wir können diese direkt bei uns im Hause analysieren.
Die Methode setzt sich in immer mehr Anwendungsbereichen durch. Das liegt nicht zuletzt daran, dass die Erstausstattung für den Start von Sequenzier-Projekten sehr günstig ist. Sequenzierungen dieser Qualität sind damit sehr viel erschwinglicher. So können auch kleine Unternehmen wie wir mit der Technologie forschen.
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© Foto: Studio Beetz
