Bausteine des Lebens

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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.


54 Innovate! 2/07 Biotechnologie

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.

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