Grundlagenforschung Von DNA-Strängen und Nanoporen

Hat es denn auch geklappt?

Der Nachbau der Nanoporen war jedoch nur der Anfang – in einem nächsten Schritt müssen die hydrophilen DNA-Strukturen derart modifiziert werden, dass sie sich in eine Membran einfügen. Dazu bauen wir einzelne DNA-Stränge ein, an die ein hydrophobes Molekül angebracht wurde. Das geschieht um die Nanopore an die Membran anzuhängen. Wir haben quasi Saugknöpfe an unsere Nanopore angebracht. Anschließend testen wir, ob die Nanopore tatsächlich in die Membran eingebaut wurde. Hierfür wird über eine Membran, auf deren beiden Seiten sich eine Elektrolytlösung befindet, ein Spannungsgefälle erzeugt. Die Membran selbst fungiert als Isolator, durch sie fließt kein Strom hindurch. Sobald aber eine Pore korrekt in die Membran eingebaut wurde, beginnt ein Strom zu fließen. Bild 3 zeigt exemplarisch derar­tige Ströme.

Der Nachweis darüber, dass sich Moleküle durch die Pore hindurchbewegen, wird ebenfalls über elektrische Messungen getätigt: geladene Moleküle bewegen sich beim Anlegen einer Spannung von der einen Seite der Membran durch die Pore hindurch auf die andere Seite der Membran. Dabei blockieren sie einen Teil der Pore und der Strom wird für einen Moment geringer. Bei höherer Spannung bewegt es sich schneller hindurch als bei niedriger. Misst man beides, ist der Nachweis über den Übertritt eines Moleküls von einer Seite zur anderen erbracht. Das funktioniert auch, wenn wir einzel- und doppelsträngige DNA durchschicken. Und es wird noch besser: Grundsätzlich lässt sich anhand der Änderungen im Stromfluss bestimmen, ob und was für eine DNA-Helix sich durch die Nanopore bewegt hat. Und damit sind wir bei der praktischen Anwendung: der Viren-Erkennung.

Auf ihre Weise einzigartig

Viren sind keine Lebewesen, aber viele von ihnen bestehen aus einem DNA-Strang der von einer Proteinhülle umschlossen wird. Jede Virusart hat eine einzigartige DNA-Sequenz, durch die sie bis in alle Einzelheiten programmiert ist. Durch die spezifische Sequenz wird also jede Virusart erkennbar, sobald man die Ressourcen besitzt die Sequenz auszulesen. Hierauf basiert das Erkennungsprinzip der Nanoporen: Je nachdem welche Stromreduktion wir messen, können wir Rückschlüsse über die Art der DNA-Sequenz ziehen, die durch die Pore hindurchgeht. Bei der Sequenzerkennung sind die Unterschiede der einzelnen DNA-Basen entscheidend. Die vier Basen sind Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin. Diese Basen definieren zum einen die genetische Information, die auf dem DNA Strang abgespeichert ist. Zum anderen unterscheiden sich die Basen in Form und Größe. Jede der Basen reduziert den Strom auf andere Art und Weise, wodurch ihre Unterscheidung möglich wird.

Daraus entwickelte die Firma Oxford Nanopores im Jahr 2016, während des Ebola-Ausbruchs in Westafrika, eine poten­­ziell wertvolle Anwendung: Nanoporen konnten dort zum ersten Mal im diagnostischen Kontext verwendet werden. Als Nanoporensequenziergeräte im Handtaschenformat, versehen mit einem USB-Anschluss, fanden sie ihren Weg in die Ausbruchsgebiete. Innerhalb von 24 Stunden wurden Personen auf Ebola getestet. Noch liegt die Sicherheit der Aussage »Ebola-positiv« oder »Ebola-negativ« bei 80 Prozent, weshalb sie nur als erster Hinweisgeber genutzt werden können.

Kleiner, schneller, bald auch zuverlässiger

Die Sequenzierung von DNA mit Nanoporen ist teilweise noch nicht so präzise wie die klassische Sequenzierung, jedoch bietet sie Vorteile: dass sie in kleinem, handlichen Format und vergleichsweise günstig vertrieben wird. Oder auch, dass DNA-Sequenzen an vielen Nanoporen parallel gemessen werden können und damit einen hohen Durchsatz bieten, während gleichzeitig lange Längen ausgelesen werden können. Mit Nano­poren werden bereits DNA-Stranglängen zwischen 10.000 und 100.000 Basen ausgelesen, wohingegen traditionelle Methoden zwischen 1000 und 3000 Basen enden.
Die Nanoporensequenzierung ist derzeit die einfachste Sequenzierung für Fälle in Krisengebieten: Eine entnommene Blutprobe wird mit einem Kit aufgereinigt und auf den Sequenzierer gegeben, alles innerhalb einer Stunde. Die erhaltenen Daten werden auf einem Server in Großbritannien ausgewertet und die Ergebnisse zurück in das Krisengebiet übermittelt.

Die Forscher arbeiten kontinuierlich daran, die Auslesegenauigkeit zu verbessern und die Sequenzierungstechnik auch für die Diagnose anderer Krankheiten zu verwenden.

Glossar

Desoxyribonukleinsäure: Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, ist eine Kette aus Nukleotiden, und dient als Speicher der Erbinformation. Es gibt vier Nukleotide, die sich in ihrer Untergruppe, den Basen, unterscheiden. Die vier Basen sind Adenin, Gua­nin, Thymin und Cytosin. Ihre Abfolge auf dem DNA-Strang codiert sämtliche Informationen, die für einen Organismus essenziell sind.

Aminosäure: Aminosäuren sind die Grundbausteine der Proteine, welche zumeist mehr als die Hälfte des Trockengewichts jeder Zelle ausmachen. Mehr als 400 Aminosäuren sind uns bekannt, jedoch wird für den Aufbau von Proteinen nur ein kleiner Teil von ihnen verwendet. Beim Menschen sind es etwa 21.

Viren: Viren sind keine Lebewesen, aber dem Leben nahestehend. Sie benötigen einen Wirt, um sich zu vermehren, weshalb sie nicht zu den Lebewesen zählen, jedoch haben sie gleichzeitig die Fähigkeit sich zu replizieren und sich evolutionär zu ändern und stehen damit dem Leben nahe.

Bakterien: Bakterien sind im Gegensatz zu Viren Lebewesen, die ältesten auf unserem Planeten. Sie sind Einzeller, welchen jedoch alle strukturell abgrenzbaren Bereiche fehlen. Ihnen fehlen damit sowohl der Zellkern als auch alle anderen strukturellen Untereinheiten.

 

 

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