Bausteine des Lebens

50 Innovate! 2/07 Biotechnologie
Bausteine
des Lebens
Die genetische Information aller Lebewesen
wird mit nur vier Bausteinen
gespeichert. Entscheidend für die individuellen
Unterschiede ist allein deren
Abfolge und Anzahl.
Text: SILKE WEDEKIND Fotos: TEK IMAGE-SPL-AGENTUR FOCUS
Wie viele Lebewesen gibt es wirklich in den Weltmeeren?
Wird ein Medikament bei einem bestimmten
Patienten helfen – oder kommt es bei der Therapie
zu unerwünschten Nebenwirkun gen? Wie
nah sind wir mit dem Neandertaler verwandt? Und mit dem Rhesusaffen?
Ist ein Patient etwa resistent für bestimmte Arzneimittel?
Antworten auf solche Fragen sind heute einfacher möglich, als noch
vor wenigen Jahren: Die Technik der DNA-Sequenzierung liefert in
vielen Bereichen der Medizin und Biologie neue Erkenntnisse.
Zu den größten Überraschungen gehört die mit dieser Methode
gemachte Entdeckung, dass die marine Artenzahl weitaus größer ist,
als bislang angenommen wurde. Wie die DNA-Analysen enthüllten,
sollen es zehn- bis hundertmal mehr Organismen sein. Die meisten
dieser Arten sind unbekannt und spielen wahrscheinlich als Teil der
„Rare Biosphere“ eine wichtige Rolle in der marinen Umwelt.
Das universelle Molekül, das alle Erbinformationen eines Lebewesens
enthält, ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA). Die DNA
setzt sich aus zwei Strängen zusammen, die umeinander gewunden
sind. Jeder Strang dieser Doppelhelix besteht aus einer Abfolge von
nur vier chemisch verschiedenen Bausteinen, den Nukleotiden, die
sich im Aufbau durch die Basen Adenin, Thymin, Guanin und
Cytosin unterscheiden. Bis vor etwa 30 Jahren konzentrierte sich
die Molekulargenetik auf die Untersuchung der Erbinformation
von Bakterien und Bakteriophagen. Der Grund dafür, dass sich nur
wenige Forscher mit höheren Organismen beschäftigten, liegt vor
allem in der Größe des Erbguts der Pfl anzen und Tiere. „Mit rund
3,4 Milliarden Basenpaaren ist das Genom eines Säugetiers um
etwa das Tausendfache größer als ein Bakteriengenom“, sagt

Die Bausteine der DNA:
Adenin (A), Thymin (T), Guanin
(G), Cytosin (C). Die Basen
bilden im Erbgutstrang stabile
Paare aus. A paart sich immer
mit T und G immer mit C.
DNA-Sequenzierung 2/07 Innovate! 51
ADENIN
CYTOSIN
GUANIN
THYMIN
Computer artwork: K. Seddon & T. Evans - SPL - Agentur Focus

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Dr. Bernhard Korn, verantwortlich für die Genom- und Proteomforschung
am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg.
Zudem kodiert die Säugetier-DNA nur zum geringen Prozentsatz
konkrete Erbinformationen. Zwischen den 20 000 bis 30 000 Genen
liegen informationsleere Abschnitte mit sich wiederholenden
Basenfolgen, die die Identifi zierung der Gene sehr erschweren.
Mittlerweile entwickelten sich die Technologien, mit denen DNA-
Sequenzen analysiert werden können, erheblich weiter. „Wir forschen
inzwischen mit einem System der zweiten Generation, das Sequenzen
von 200 bis 300 Basenpaaren Länge erfassen kann und dabei mit
einer über 99,5-prozentigen Genauigkeit arbeitet“, erklärt Korn.
Mithilfe dieser Sequenzierungstechnologie fanden Mitchell L.
Sogin und seine Arbeitsgruppe vom Josephine Bay Paul Center in
Woods Hole, Massachusetts, in einem Liter Seewasser mehr als
20 000 Arten Bakterien. Zwar haben Meeresbiologen in den letzten
20 Jahren viele neue Mikroorganismen entdeckt und beschrieben,
und inzwischen sind mehr als eine halbe Million Arten bekannt.
Nach den neusten Ergebnissen von Sogin kann man aber
davon ausgehen, dass die Artenvielfalt allein unter den Mikroben
die Fünf- bis Zehnmillionengrenze überschreitet.
RÄTSELHAFTE „RARE BIOSPHERE“ DER OZEANE
Für die Analyse der marinen Arten wurden aus jeder Wasserprobe
etwa 25 000 kurze DNA-Fragmente hergestellt. Die Meeresforscher
konnten so auch sehr selten vorkommende Organismen
fi nden, die in Studien mit weniger empfi ndlichen
Nachweismethoden von häufi gen Arten überdeckt wurden. Bislang
ist die „Rare Biosphere“ der Ozeane nicht erforscht, weder
gibt es eine genaue Vorstellung
über ihre Artenvielfalt, noch
ist bekannt, ob ihre Vertreter
exklusiv an einen einzigen Lebensraum
angepasst sind oder
ob sie als eine Art Generalisten
weltweit vorkommen. Sie
könnte ein unerschöpfl iches
Reservoir für genetische Innovation
sein, so Mitchell L. Sogins
Theorie. Mit diesem Modell
ließe sich erklären, warum
sich mikrobielle Lebensgemeinschaften
nach Umweltkatastrophen
so schnell erholen
und warum jedes neu analysierte
Mikroben-Genom sogar
beim Vergleich mit nah verwandten
Arten so große genetische
Unterschiede zeigt.
Glossar
„Die Bedeutung von DNA-
Analysen in der Life Science
Forschung nimmt deutlich zu,“
erklärt Dr. Bernhard Korn.
BASEN Bausteine der DNA: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G), Cytosin
(C). Die Basen bilden im Erbgutstrang stabile Paare aus, A paart sich immer
mit T und G immer mit C.
DNA Desoxyribonucleic acid (Desoxyribonukleinsäure): die chemische
Substanz, aus der das Erbgut besteht.
ELEKTROPHORESE Analysemethode durch Trennung geladener Teilchen
in einem elektrischen Feld.
GENE Funktionsabschnitte des Erbguts, die als Bauanleitung vor allem
für Proteine dienen.
GENOM Die Gesamtheit aller Gene eines Organismus.
NUKLEINSÄUREN Überbegriff für DNA und RNA. Kettenförmige Moleküle,
deren einzelne Bausteine die Nukleotide sind.
NUKLEOTIDE Die Bausteine der DNA und der RNA. Sie bestehen aus
den vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin – in der RNA wird
anstelle von Thymin das Uracil eingebaut – einem Zucker- und mindestens
einem Phosphatrest.
PCR Polymerase Chain Reaction (Polymerasekettenreaktion). Methode
zum schnellen Vervielfältigen auch extrem kleiner DNA- und RNA-Mengen.
RNA Ribonucleic acid (Ribonukleinsäure). Die chemische Verbindung,
aus der beispielsweise die Arbeitskopien der Gene bestehen.
Neue und verbesserte Sequenzierungstechniken könnten Hinweise
auf Genmutationen geben, die ihre Träger für Krebs- oder
Herzerkrankungen empfänglich machen. Über die Sequenzierung
von Bakterien- und Virusgenomen lassen sich Aussagen zum Verlauf
einer Infektion und zum Therapieansprechen gewinnen.
Zurzeit wird auch an historischem Material gearbeitet: Wissenschaftler
um Dr. Hendrik Poinar an der McMaster-Universität
in Ontario, Kanada, untersuchen die DNA von Opfern der mittelalterlichen
Pest-Epidemien in Europa. Davon erhofft man sich
Hinweise auf Epidemien wie HIV oder die Vogelgrippe. Vielversprechend
erscheint die Technologie bei der Suche nach Angriffspunkten
für Tumortherapien, die gezielt in Regulationsvorgänge
bösartig entarteter Zellen eingreifen.
Professor Dr. Christian Strassburg von der Medizinischen Hochschule
Hannover konnte mit seiner Arbeitsgruppe nachweisen, dass
Träger der Gilbert-Meulengrachtschen Erkrankung Komplikationen
entwickeln, wenn sie Medikamente einnehmen, die über die Glukuronidierung
verstoffwechselt werden. Dadurch wird eine Arznei chemisch
so verändert, dass sie wasserlöslich wird und über die Niere
oder die Galle ausgeschieden werden kann. Von dem eigentlich unkomplizierten
Gilbert-Meulengracht-Syndrom sind etwa neun Prozent
der Bevölkerung betroffen. Normalerweise muss es nicht behandelt
werden. „Zu Problemen kommt es, wenn der Betroffene auf ein
Medikament angewiesen ist, das über diesen Stoffwechselweg ausgeschieden
wird“, erklärt Strassburg. Die Varianten im Erbgut, die für
die Störungen der Glukuronidierung verantwortlich sind, können
durch einen Gentest nachgewiesen werden. „Wir konnten in unseren
Untersuchungen zeigen, dass jeder zehnte Deutsche einen veränderten
Stoffwechsel aufweist, der
Ursache für Nebenwirkungen
von Arzneimitteln sein kann“,
betont der Gastroenterologe.
Manchmal lässt sich mit
der Gensequenzierung das Geschichtsbild
korrigieren. Bislang
dachte man, dass Iren von
den Kelten und Engländer von
den Angelsachsen abstammen.
Da sich eine erhebliche Übereinstimmung
der Gene in diesen
Bevölkerungsgruppen nachweisen
ließ, nimmt man nun
an, dass beide gleiche Vorfahren
haben. Nah stehen sich
auch Mensch und Rhesusaffe:
Wie sich jetzt zeigte, sind 97,5
Prozent seiner Gene mit denen
des Menschen identisch. !
Fotos: Roche / Uwe Dettmar

1944 Oswald T. Avery und
Mitarbeitern gelingt der Nachweis,
dass die DNA der Träger
der genetischen Information
ist und begründen damit die
„molekulare Genetik“.
Genome Sequencer 20 (GS20):
Automatisiertes und ultraschnelles
System zur Sequenzanalyse
(Bestimmung der Abfolge
von Basen in Nukleinsäuren),
das auf einer innovativen
Mikrotechnik basiert.
1953 James D. Watson und
Francis H. C. Crick klären die
dreidimensionale Struktur
der DNA-Doppelhelix auf und
ermöglichen so wichtige Fortschritte
in der Medizin.
DNA-Sequenzierung 2/07 Innovate! 53
Buchstaben des Lebens:
Entziffern um jeden Preis?
Beim ersten Mal hat es noch 13 Jahre gedauert und drei
Milliarden Dollar gekostet. Inzwischen geht es deutlich
schneller – und auch die Kosten sind gesunken. Als das
internationale Humangenomprojekt im Jahr 1990 gegründet
wurde, war das erklärte Ziel die Sequenzierung des
menschlichen Genoms bis 2010. Letztendlich wurde dieses
Ziel früher erreicht, 2003 war das Projekt abgeschlossen,
das Deutsche Humangenomprojekt beendete seine Aktivitäten
2004. Die damals veröffentlichte Sequenz stammt
jedoch nicht von einem einzelnen Menschen, sondern ist
aus den Gendaten verschiedener anonymer Spender zusammengesetzt.
„In vielleicht zehn Jahren könnte das
persönliche Genom kommen“, prognostiziert Dr. Bernhard
Korn vom Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg.
„Mit einem Preis von etwa 1000 Dollar zwar nicht
ganz billig, aber doch in einem für viele bezahlbaren
Rahmen“. Dann könnte jeder über seinen genetischen
Code und damit sein genetisches Schicksal informiert
sein – sofern er das möchte.
Die individuellen Unterschiede in der Erbinformation
sind klein, nur etwa ein Promille der DNA-Bausteine unterscheidet
jeden Menschen von allen anderen. Auf diese
Unterschiede kommt es aber an. Hier liegen die Informationen
verborgen, ob ein Mensch beispielsweise an Alzheimer
oder Krebs erkrankt, ob ein Medikament bei ihm
wirkt oder nicht, ob er lange lebt oder wie er auf Infektionserreger
reagiert, wenn er mit ihnen in Kontakt kommt.
Wie diese Eigenschaften aus der Gensequenz abgelesen
werden können, ist nicht vollständig aufgeklärt. Zwar
kennt man einige Erkrankungen, die auf die Mutation
einer einzigen Base im Erbgutstrang oder eines Gens zurückzuführen
sind, in der Mehrzahl der Fälle sind aber
mehrere Gene für die Ausprägung einer Eigenschaft verantwortlich.
Außerdem wirken Umweltfaktoren modulierend
auf das Erbgut ein.
Trotzdem: Der Zusammenhang zwischen Veranlagungen
und bestimmten Krankheiten wird immer deutlicher. Und
damit stellen sich neue Fragen. Kann der Missbrauch genetischer
Daten verhindert werden? Was passiert, wenn
der Arbeitgeber, die Krankenkassen oder die Lebensversicherer
Einblick in die Gendaten nehmen? Welches Recht
hat der Einzelne an seinen Erbinformationen? Wird Wissen
um die Information zur Bereicherung oder zur Belastung?
1977 entwickelt Frederick
Sanger das Kettenabbruchverfahren
zur Bestimmung von DNA-
Sequenzen, Kary B. Mullis
entdeckt 1983 die Methode der
Polymerasekettenreaktion.
1990 Das Humangenomprojekt
wird mit dem Ziel gegründet, das
Erbgut des Menschen zu entschlüsseln.
2003 ist die Sequenzierung
vollständig abgeschlossen.

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DNA-
Sequenzierung
Auf dem Weg zum 1000-Dollar-Genom
Einen Durchbruch für die Genomanalyse brachte die
Entwicklung des sogenannten Kettenabbruchverfahrens
durch den britischen Biochemiker Frederick Sanger.
Diese Methode ist die Grundlage für die bis heute
gängigste DNA-Analysetechnik. Auch große Sequenzierungsvorhaben,
wie etwa das Humangenomprojekt, das im Jahr 1990 gestartet
und 2003 abgeschlossen wurde, beruhen auf diesem Verfahren.
Sanger und seine Mitarbeiter konnten mithilfe dieser
Technologie 1977 zum ersten Mal ein komplettes Genom sequenzieren
– das des Bakteriophagen ΦX174 mit 5386 Basenpaaren.
Für seine Beiträge zur Sequenzierung von Nukleinsäuren erhielt
Sanger 1980 den Nobelpreis für Chemie.
Mit der auf Elektrophorese basierenden Sanger-Methode werden
heute vollständige Genome sequenziert, aber auch Teilstücke
Verschiedene Darstellungsweisen
von DNA-Analyse-Ergebnissen durch
das Genom Sequencer System.
Dr. Bernhard Korn, Deutsches
Krebsforschungszentrum: „In
vielleicht zehn Jahren könnte das
persönliche Genom kommen.“
analysiert, um beispielsweise Mutationen zu fi nden, die mit der
Entstehung von Krankheiten zusammenhängen könnten. „Obwohl
die Methode in den letzten Jahren permanent verbessert
wurde und obwohl die Sequenzierungskosten in dieser Zeit um
etwa 90 Prozent gefallen sind, stößt dieses Standardverfahren
mittlerweile an seine Grenzen“, sagt Dr. Angelika Rösler vom Biotechnologie-Zentrum
von Roche in Penzberg, „bislang sind die
Sequenzierungen einfach noch zu langsam und zu teuer.“
Der legendäre und nicht unumstrittene amerikanische Genforscher
Craig Venter hat vor fünf Jahren eine Prämie für denjenigen
ausgeschrieben, der die Kosten für die vollständige Sequenzierung
eines menschlichen Genoms auf 1000 Dollar senkt. Um
dieses Ziel zu erreichen, müssen die Geräte für die Sequenzierungen
noch wesentlich leistungsfähiger werden. Parallel dazu
muss sich auch die Bioinformatik weiterentwickeln, um mit den
riesigen Datenmengen fertig zu werden, die bei den Sequenzierungen
anfallen.
Ein Schritt auf dem Weg zum „1000-Dollar-Genom“ ist inzwischen
aber gemacht: Im Dezember 2006 hat Roche mit dem
Genome Sequencer FLX System ein Gerät auf den Life-Science-
Markt gebracht, das auf einer neuen Technologie des US-Unternehmens
454 Life Sciences basiert, und mit dem Tag für Tag die
Sequenzinformationen von 200 Millionen Basenpaaren gewonnen
werden können. „Damit kann beispielsweise das Genom des
Bakteriums Escherichia coli mit seinen 4,3 Millionen DNA-Buchstaben
an einem Arbeitstag vollständig entschlüsselt werden“, beschreibt
Dr. Bernhard Korn vom Deutschen Krebsforschungszentrum
in Heidelberg die Leistungsfähigkeit des neuen Systems.
„Die in Bruchstücke zerlegte DNA wird zunächst auf kugelförmigen
Mikropartikeln, den sogenannten Beads, mithilfe der Poly-

Fotos: Roche / Uwe Dettmar
Mit Hilfe der Sequenzierung
identifi ziert Dr. Bernhard Korn
veränderte Prozesse, die für
die Krankheitsentstehung, Progression
und deren potentielle
Heilung verantwortlich sind.
merasekettenreaktion (PCR) vervielfältigt. Anschließend werden
diese Beads, die in einer Emulsion schwimmen, auf eine Platte
aufgetragen, die winzige Vertiefungen auf ihrer Oberfl äche hat.
Und in jede dieser Vertiefungen passt nun genau ein Bead mit der
daran hängenden amplifi zierten DNA“, erklärt Korn.
Die eigentliche Analyse der DNA-Sequenz ist dann der nächste
Schritt. Dabei dienen die zu untersuchenden DNA-Stücke auf
den Beads als Vorlage, an die nun ein neuer, gegengleicher DNA-
Strang angefügt wird. Die verschiedenen Bausteine, aus der die
DNA aufgebaut ist, werden nach und nach einzeln zu den Beads
auf die Platte gegeben und anschließend wieder schnell entfernt,
damit sie sich nicht miteinander vermischen. Passt der angebotene
Baustein, wird er entsprechend der Matrize eingebaut. Dieser
Einbau löst über eine Enzymkaskade einen Lichtblitz aus, den ein
Detektor registriert. Werden mehrere gleiche Bausteine nacheinander
eingefügt, fällt das Signal entsprechend stärker aus. „Schritt
für Schritt wird so die Reihenfolge der Bausteine aus der Vorlage
entschlüsselt“, sagt Korn.
!
LINKS
The Human Genome Organisation www.hugo-international.org
Deutsches Humangenomprojekt www.dhgp.de
Nationales Genomforschungsnetz www.ngfn.de
Bioethik www.1000fragen.de
Deutsches Krebsforschungszentrum, Arbeitsgruppe
Dr. Bernhard Korn www.dkfz.de/de/genomics_proteomics/
index.html
Max Planck Institut Leipzig www.eva.mpg.de/english/press/
PMs_eng/neandertaler_eng.pdf
DNA-Sequenzierung 2/07 Innovate! 55
Dr. Manfred Baier ist seit Anfang
2006 weltweit für die Entwicklung
und Vermarktung
der Roche-Produkte für die biologisch-medizinische
Forschung
verantwortlich. Diesen Bereich
leitet der studierte Chemiker
vom Biotechnologie-Zentrum
Penzberg aus.
Forschungspioniere
Hightech am Standort Deutschland
Innovate! Roche zählt zu den führenden Biotech-Unternehmen weltweit.
Im Kerngeschäft der Diagnostik sind die Produkte für den Life Science
Markt gebündelt. Was kennzeichnet dieses Geschäft ?
MANFRED BAIER: Wie in anderen technologie-orientierten Bereichen
auch, ist der Life Science Markt heute extrem dynamisch und schnelllebig.
Deshalb müssen wir auch zukünftig mit der Vielfalt und vor
allem mit der Qualität unserer Produkte dem Anspruch der Forscher,
die in den unterschiedlichsten Zweigen der Naturwissenschaften tätig
sind, gerecht werden. Hier hilft uns das langjährige Know-how unserer
Mitarbeiter.
Innovate! Was sind die besonderen Herausforderungen im Life Science
Markt?
BAIER: Eine der wichtigsten Voraussetzung ist, die Wunschliste der
Forscher genau zu kennen. Wir verstehen uns als Pioniere und müssen
deshalb die Potenziale neuer Technologien für unsere Kunden früh
erkennen. Dann können wir der Wissenschaft innovative Werkzeuge
in die Hand geben, mit denen sie zu neuen Erkenntnissen kommt.
Innovate! Woraus schöpft Roche die Innovationskraft?
BAIER: Roche ist als forschendes Unternehmen stark innovationsorientiert.
Neben der eigenen Forschung spielen aber auch Kooperationen
und Partnerschaften eine bedeutende Rolle, um neue, zukunftsweisende
Impulse aufzunehmen. Erfolgreiche Kooperationen können dann
auch in einer Firmenakquisition münden. So wie kürzlich im Falle der
mehrjährigen Kooperation mit dem US-Unternehmen 454 Life Sciences,
das technologisch führend in der Gensequenzierung ist. Basis ist hier
ein völlig neues System zur DNA-Sequenzierung. Diese Innovation ermöglicht
Anwendungen, die zuvor aus technischen oder wirtschaftlichen
Gründen nicht möglich waren.
Innovate! Haben Sie dafür Beispiele?
BAIER: Ja, vor wenigen Wochen konnte mit diesem Genom Sequencer
System im Zusammenhang mit Transplantationen ein völlig neues Virus
identifi ziert werden – mit keiner anderen Methode war das den Wissenschaftlern
vorher möglich. Dieses System fi ndet aber auch in weniger
bekannten Bereichen der Naturwissenschaften Anwendung. So beispielsweise
am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in
Leipzig. Hier wird das Neandertaler-Genom sequenziert. Daneben gibt
es auch Beispiele aus der Meeresbiologie oder der Krebsforschung.
Innovate! Sie bringen also mit Ihren Ideen die Forschung weiter?
BAIER: Ein ganz klares Ja! Und umgekehrt werden wir durch neue
Erkenntnisse in der weltweiten Forschung immer wieder zu neuen Produkten
inspiriert. Unsere Kunden sind Pioniere der Forschung.
Und wir sind es auch.