Sequenzier-Rekord: Forscher entziffern menschliches Erbgut für 48.000 Dollar

Das eigene Erbgut - in einem Monat, für den Preis eines Mittelklassewagens: Wissenschaftler haben eine neue Technik entwickelt, mit der man die DNA-Sequenz in Rekordzeit entziffern kann. Damit rückt die Vision des persönlichen Genoms ein Stück näher - und auch die damit verbundenen Risiken.

Es ist viel passiert in diesen acht Jahren, seitdem Wissenschaftler erstmals das menschliche Erbgut entziffert haben. Etwa 1000 Wissenschaftler weltweit hatten rund zehn Jahre lang für das Human Genome Project gearbeitet. Viele Sequenziermaschinen auf der ganzen Welt waren nötig gewesen, um die drei Milliarden Buchstaben des menschlichen Erbguts zu lesen. Die Kosten für das gesamte Projekt beliefen sich letztlich auf knapp drei Milliarden US-Dollar - ein Dollar für einen Gen-Buchstaben.

DNA-Sequenz: 48.000 Dollar für vollständige Entzifferung

Foto: Corbis

Seitdem ist die Sequenzier- Technologie immer besser und schneller geworden. Was das Tempo der Fortschritte auf diesem Feld angeht, steht sie der Mikroprozessortechnik in nichts nach. Und auch die Preise purzeln: So kostete die Entzifferung des Erbguts des Nobelpreisträgers und Mitentdeckers der DNA-Struktur, James Watson, im Jahr 2008 nur noch eine Million US-Dollar . Ende 2008 dann gelang Wissenschaftlern die Sequenzierung der DNA eines Chinesen innerhalb von nur acht Wochen - für nur 100.000 US-Dollar.

Nun haben die Wissenschaftler Stephen Quake, Dmitry Pushkarev und Norma Neff von der Stanford University im US-Bundesstaat Kalifornien einen neuen Rekord in der Genom-Sequenzierung verkündet: Für nur 48.000 US-Dollar haben sie die DNA von Quake entziffert - in rund vier Wochen. Damit rückt die Vision der billigen und schnellen Entzifferung des eigenen Erbguts für jeden Menschen wieder ein Stück näher.

Zwar bieten bereits einige Firmen kommerzielle Gen-Analysen für dreistellige Dollarbeträge an. Dabei wird das Erbgut aber nur auf eine Liste bekannter Gene hin getestet und keine vollständige Sequenz ermittelt. Wissenschaftler erhoffen sich durch die schnellere und günstige Erbgut-Sequenzierung ein besseres Verständnis der Entstehung von Krankheiten. Die Risiken liegen auch auf der Hand: Arbeitgeber oder Versicherungen könnten Menschen aufgrund ihrer genetischen Ausstattung ablehnen.

Gen-Vokabular

Der Mensch hat in jeder seiner Körperzellen zweimal 23 Chromosomen. Die sind nichts anderes als lange Stränge von Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA. Sie setzt sich unter anderem zusammen aus vier Grundbausteinen, den Nukleinbasen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin (abgekürzt A, C, G und T). In der DNA-Doppelhelix sind die Basen in Paaren angeordnet. Die menschliche DNA besitzt etwa drei Milliarden Basenpaare. Bestimmte Abschnitte von Basenpaaren bilden Gene - die Blaupause für die Proteine. Nach derzeitiger Schätzung hat der Mensch etwa 25.000 Gene.

Das Erbgut zweier Menschen ist sich zu 99,9 Prozent ähnlich, alle angeborenen Unterschiede werden von weniger als 0,1 Prozent der DNA bestimmt. Ein großer Teil dieser Variationen sind sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs oder "Snips") - Teilstücke der langen Buchstabensequenz aus A, C, G und T, die sich in genau einem Buchstaben unterscheiden, etwa wie diese beiden: GATCGA - GATGGA. Viele der häufigsten Krankheiten können mit dem Auftreten bestimmter SNPs in Verbindung gebracht werden. Jeder einzelne SNP hat aber unter Umständen nur einen schwachen Effekt.

Haplotyp nennt man Gegenden auf dem DNA-Strang eines Chromosoms, in denen bestimmte SNPs gehäuft auftreten. Größere Gruppen von Menschen teilen oft den gleichen Haplotyp. Wer an einer bestimmten Stelle ein A und an einer anderen ein C hat, bei dem lässt sich dann vorhersagen, wie alle anderen SNPs in der betreffenden Sequenz aussehen - ohne, dass man jeden Buchstaben einzeln untersuchen muss.

Im Oktober 2007 wurde die HapMap (die Haplotyp-Karte) publiziert. Mit großem Aufwand sammelte ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern dafür DNA von Menschen aus verschiedenen Weltgegenden. Nahezu alle Haplotypen, die häufiger als bei fünf Prozent der Menschheit vorkommen, sollen auf der HapMap erfasst sein. Das spart bei Genom-Untersuchungen Arbeit: Kennt man einige entscheidende SNPs einer Person, kann man nun auf den Haplotyp in dieser Region der DNA schließen, weiß also automatisch über alle anderen SNPs der Person in diesem Bereich bescheid. Analysen werden einfacher - und billiger. Die HapMap-Daten sind frei verfügbar.

Wie die Forscher im Fachmagazin " Nature Biotechnology " berichten, konnten sie die Leserate mit ihrer neuen Technik drastisch erhöhen: 48.000 Gen-Buchstaben pro Sekunde schaffte ihr Sequenzier-Apparat. Das gesamte menschliche Genom könnte man damit theoretisch in nur rund 17 Stunden sequenzieren.

Allerdings reicht ein Durchgang nicht aus, da die Maschine Lesefehler macht: Drei bis vier von 100 Buchstaben sind falsch, schreiben Quake, Pushkarev und Neff. Um die notwendige Lesegenauigkeit zu erreichen, hätten sie daher 28 Durchgänge machen müssen. Für die endgültige Sequenz brauchten Pushkarev und Quake somit rund einen Monat.

Die neue Technik unterscheidet sich von bisherigen vor allem darin, dass nur noch ein einziges DNA-Molekül als Lesevorlage benötigt wird. Bisherige Sequenzierungstechniken arbeiten so, dass das Erbgut zunächst mit der sogenannten Polymerasekettenreaktion (polymerase chain reaction, PCR) stark vervielfältigt und erst dann gelesen wird.

Für die neue Technik sei somit wesentlich weniger an Aufwand nötig, schreiben Quake, Neff und Pushkarev. Nur noch ein Labor, ein Sequenzierapparat und weniger Personal brauche es zur Entzifferung des menschlichen Erbguts. Damit rücke die Möglichkeit des persönlichen Genoms für wenig Geld näher. Die Vision einiger Forscher ist das 1000-Dollar-Genom.

Mit der Publikation machen Pushkarev und Quake zugleich auch Werbung in eigener Sache: Quake ist Gründer, Anteilseigner und Berater der Firma, die die Sequenziermaschine herstellt. Und auch Pushkarev besitzt Anteile daran.

lub