Entzifferung im USB-Stick Das Massenscreening unserer Genome wird eingefädelt

Es wird, glaubt man den Kommentaren von Insidern und aus Blogbeiträgen, eine Revolutionierung der Revolution. Eine biotechnische Schöpfung zweiter Ordnung. Es geht um die ultraschnelle und billige Entzifferung des Erbguts. Nackte Zahlen und Fakten werden plötzlich wie anno 2000 zu Zeiten der ersten Humangenom-Entzifferung von geradezu philosophisch anmutenden Betrachtungen begleitet. „Der Nanoporen-Sequenzierer feiert Einstand“, schrieb die Zeitschrift „Nature“. Der Brite Nick Loman, einer der großen Kenner der Biotechnikszene, freut sich über die „Demokratisierung der Genom-Sequenzierung“, ja sogar skeptische Technikprofis wie Rob Carlson halten es für möglich, dass wir plötzlich wieder am Anfang stehen - „am Anfang einer neuen Revolution der Biotechnologie“. Und das, obwohl erst vor vier Jahren mit der Verbreitung der „Next-Generation-Sequenziertechnik“ eine neue Ära in der Entzifferung des Erbguts eingeläutet worden war und obwohl zwei der etablierten Firmen vor wenigen Wochen erst die Dekodierung eines menschlichen Genoms in Stunden bis wenigen Tagen für weniger als tausend Dollar angekündigt haben. Plötzlich scheinen, bei aller gebotenen Vorsicht mit immer wieder bemühten Superlativen, all diese Rekorde schon wieder Makulatur.

Bevor wir allerdings zu den Hintergründen der neuesten Meldungen kommen, sollte man sich zuerst noch einmal klarmachen, was mit dem „Lesen“ eines kompletten Genoms, wie es in Kopien in jeder unserer Billionen Zellen vorliegt, gemeint ist: Würde man die 3,3 Milliarden auf den Chromosomen aneinandergereihten Basenpaare eines jeden menschlichen Genoms - die Buchstaben - in Bücher eintragen, von denen jedes aus tausend mit je tausend Buchstaben beschriebenen Seiten besteht, müsste man für den Gencode einer einzelnen menschlichen Zelle ganze Bibliotheksräume mit Bücherregalen für insgesamt 3300 dicke Wälzer frei räumen.

Darum geht es also: um gewaltige Berge von Informationen. Elektronisch gespeichert, könnte man mit den Rohdaten eines Humangenoms eine CD-ROM füllen. Das ist aber nur der reine Informationsgehalt. Biologische Informationsspeicher wie die DNA, die Desoxyribonukleinsäure, sind bis zu ihrer Dechiffrierung und Codierung als Bits tatsächlich weit mehr als Datenspeicher. Es sind unfassbar lange Kettenmoleküle, die aufbereitet, zugeschnitten, sortiert und sorgfältig Baustein für Baustein identifiziert sein wollen. Das war vor einiger Zeit noch komplexe Laborchemie. Vor nicht einmal zweieinhalb Jahrzehnten hat man mit der Sanger-Technik begonnen. Die Ketten wurden massenweise kleingeschnipselt auf Gele aufgebracht und farblich markiert, später hat man die Reihenfolge der vier Basen, die das genetische Alphabet bilden, im Hochdurchsatz durch künstliche Synthese auf der DNA-Matrize eingelesen und elektrophysiologisch auf transistorbasierten Sensoren erfasst. Die Sequenziermaschinen dafür waren anfangs groß wie ein Kühlschrank oder zuletzt klein wie ein Drucker. Sequenzier-Parks mit hochgradig parallel arbeitenden Systemen sind entstanden. Den hundertfünfzigtausend Euro teuren Automaten sind Roboter vorgeschaltet, die das Präparieren und Einspeisen der Proben übernehmen.

Spätestens im Januar 2008, dem Markteintritt der „Next Generation Sequencer“ (NGS), hat die biotechnische Beschleunigung die Halbleitertechnik geschlagen. Das Mooresche Gesetz, wonach die Leistungsfähigkeit der Computer-Hardware sich alle zwei Jahre etwa verdoppelt, ist in der Sequenziertechnik außer Kraft. Alles geht viel schneller, billiger und effizienter als gedacht. An vielen Forschungsinstituten stehen Dutzende Automaten, die theoretisch jeweils 10 bis 55 Milliarden Basen pro Tag decodieren können. Die Technik ist inzwischen auch alltagstauglich für die Medizin. Im Deutschen Krebsforschungszentrum und dem Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen NCT in Heidelberg sind sechzehn Geräte in Betrieb, die jeden Monat schon vierzig Patienten-Genome so oft durchsequenzieren können, wie es nötig ist, um die Erbinformation mit kleinstmöglicher Fehlerrate zu ermitteln. „In wenigen Jahren, sagt NCT-Direktor Christof Kalle, „wird möglichst jeder Krebspatient erfasst“. Gut fünftausend wären das jährlich allein in Heidelberg. Und auch in anderen Zentren wie „Tron“ in Mainz, wo man mit der Universitätsausgründung „Biontech“ und Geldern der Strüngmann-Brüder, den Gründern von Hexal, ein Zentrum für individualisierte Immuntherapien aufbaut, können derzeit schon acht Patienten komplett sequenziert werden. „Künftig kann jeder Patient sein Genom in weniger als einer halben Stunde entschlüsselt haben“, sagt Ugur Sahin von Biontech.

Was der Immunforscher da im Blick hat, lässt alles Vorhandene - überspitzt formuliert - wie vorrevolutionäre Manufakturen aussehen. Die Genomentzifferung wird zum digitalen Schnickschnack, zum Gadget, und der Sequenzierer schrumpft buchstäblich zum USB-Stick - Kostenpunkt: Rund 900 Dollar je Gerät. Das Entschlüsseln unserer gut zwanzigtausend Gene wird zum elektronischen Kinderspiel. Was zur Entzifferung der ersten Genome im Humangenomprojekt noch dreizehn Jahre brauchte, was Tausende Forscher weltweit beschäftigte und drei Milliarden Dollar verschlang, was auch den genialen Späteinsteiger Craig Venter mit seinem Privatunternehmen Celera immerhin noch mehr als anderthalb Jahre und dreihunderttausend Dollar kostete, wird nun eine Sache von Minuten. Möglich werden soll das mit der Nanoporen-Sequenzierung. „Oxford Nanopores“, ein Unternehmen, das schon vor Jahren mit der Idee an die Öffentlichkeit ging, hat im Rennen der Entwickler derzeit offenbar die Nase vorn. Anteilseigner an der Firma ist einer der Riesen in der Branche, Illumina, dem wiederum seit ein paar Wochen der weltweit führende Diagnostikhersteller Roche mit einem Übernahmeangebot im Nacken sitzt.

Auf einer Fachkonferenz in Marco Island/Florida, haben die Chefs von „Oxford Nanopore“ jetzt die ersten Ergebnisse präsentiert. Ob sie dabei wirklich alles gezeigt haben, bezweifeln Insider. Fakt ist, dass man mit dem Prototypen „MinIon“ beispielhaft das nur 5400 Basen lange Genom des PhiX-Phagen sequenziert hat. Und zwar in einem Rutsch. Während bisherige Instrumente das Genom zerlegen und Schnipsel von einigen Dutzend bis ein paar hundert Basen Länge erzeugen müssen, wird mit der Nanoporen-Technik die DNA quasi der Länge nach durch eine winzige Pore geschickt. Für die Herstellung jeder der, wie es heißt, auf einem „industriellem Kunststoff“ verankerten Nanoporen werden biologische, aber technisch veränderte Moleküle verwendet. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1000 Basen pro Minute wird die elektrisch geladene DNA durchgefädelt. Gemessen werden dabei winzige Veränderungen des Stromflusses, der sich aus der Abfolge der Basen ergibt. Auf Größe und Bau der Pore und die korrekte, möglichst gleichmäßige Interpretation der Stromschwankungen kommt es an. Diese Feinarbeiten haben die Techniker jahrelang beschäftigt (hier ein Firmen-Video zum Funktionsprinzip).

Jeder Stick der ersten Generation enthält 512 Poren. Noch in diesem Jahr will man „GridIon“-Sticks mit vier und dann sechzehn mal so vielen Poren auf den Markt bringen. Die Fortschritte sind so gewaltig, dass man den Entwicklern derzeit alles zutraut. Überzeugt hat die Technik aber nicht nur mit ihrer Geschwindigkeit, sondern auch mit dem Handling. Künftig wird man nicht mehr aufwendig Probematerial im Nasslabor aufbereiten, sondern gibt einen einzigen Blutstropfen direkt auf den Stick. Die einzelnen DNA-Stränge sollen, so soll es Brown geschildert haben, aus dem Tropfen quasi direkt in die Nanoporen gesaugt und dechiffriert werden.

An der in Miami beklagten Fehlerrate von vier Prozent arbeitet man angeblich auch schon so erfolgreich, sagte Nanopore-Chef Clive Brown, dass man sie bis Ende des Jahres auf die geforderten weniger als 0,01 Prozent drücken will. Selbst daran zweifeln die Skeptiker derzeit kaum.