Die Top 10 Innovationen des Jahres 2014

Ein Expertengremium wählte in einem Wettbewerb des Wissenschaftsmagazins die besten neuen Technologieentwicklungen in den Lebenswissenschaften aus, diese weisen in eine eindeutige Richtung. Genomsequenzierung heißt der Trend, bekannt ist es schon seit Jahren, aber dank verbesserten Technologien wird sie immer effizienter. Wofür früher eine Dekade gebraucht wurde, kann heutzutage ein Genom in nur 24h sequenziert werden.

„The Scientist“ kürte wie jedes Jahr die Top 10 der Wissenschafts-Innovationen, die die Arbeit von Wissenschaftler revolutioniert. Die 5 besten Innnovationen des diesjährigen Wettbewerbs sind Genomsequenzierungs-Werkzeuge. Hochwertige Sequenziermaschienen, Technologien, um die genetischen Regionen für die Sequenzierung vorzubereiten und einen Prozessor, der die Verarbeitung der Datenmengen erleichtert. Des Weiteren wurden 2014 auch Technologien wie humane Lebermodelle, neue (haploide) Zelllinien, ein verbesserter Bluttypentest sowie ein sensitiveres PCR-System und ein hochauflösendes Mikroskop gekürt.

Forschung im Wandel der Technologie

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Die Forschung ist stehst im Wandel, täglich werden neue Entdeckungen gemacht. Um unseren Wissendurst zu befriedigen, müssen auch die technischen Geräte mit diesen Aufgaben wachsen. So erwarten Wissenschaftler von den Technologien, immer präziser, schneller und effizienter zu werden.   

Die Möglichkeit, die Erbinformationen aus einer Zelle auszulesen revolutionierte vor einigen Jahrzehnten Disziplinen wie Biologie oder Medizin und eröffnete neue Forschungsdisfeldern wie Biotechnologie oder Genomik. Wie die aktuelle Kür der Innovationen 2014 zeigt, schafft die Genomsequenzierung dank verbesserter Technologien es noch immer in die Top Ten der bahnbrechendsten Techniken. Anstatt nach der Nadel im Heuhaufen zu suchen, macht es die Genomsequenzierung möglich, sich das große Ganze einmal genauer anzusehen.

Dank der verbesserten Technologie haben sich die wissenschaftlichen Fragestellungen und das experimentelle Design komplett verändert. Wo früher nach vielen Überlegungen einzelne Teilabschnitte sequenziert wurden, werden heute komplette Genome analysiert. Dies befähigt die Wissenschaftler, Experimente und Forschungsdaten in einem ganz neuen Licht zu betrachten. Im Bezug auf die Pflanzenforschung ermöglicht diese Technologie evolutionäre Zusammenhänge besser zu verstehen, aber auch die genetische Vielfalt einer Art zu untersuchen. Das erlaubt ein besseres Verständnis wichtiger Nutzpflanzen, aber auch von Wildpflanzen und deren Wechselwirkungen auf dem Feld oder in der Natur.

Die Top 5 Innovationen

Die Firma Illumina ist im Ranking gleich zwei Mal vertreten,auf Platz 2 und 3. Mit seinen wegweisenden Technologien in der Sequenzierungstechnologie macht es Illumina möglich, ganze Genome innerhalb eine Tages zu sequenzieren und das auch noch für einen Bruchteil des ursprünglichen Geldes. Dies gibt der Humanforschung, aber auch der Pflanzenforschung einen ungemeinen Aufschwung. Strategisches Ziel war die Genomsequenz für 1.000 Dollar. Erste Erfolge vermeldeten mehrere Firmen bereits 2013. Illumina hat es jedoch geschafft, den Sequenziermarkt vorerst zu dominieren.

Die reinen Sequenzdaten nützen in der Regel nichts. Vielmehr müssen diese strukturiert, analysiert und sinnvoll interpretiert werden. Ohne das richtige Equipment bleiben Sequenzen einfach nur Datenmüll. Für die korrekte Analyse stellte die Firma Edico Genoms einen speziellen Prozessor vor, den DRAGEN-Bio-IT. Dieser verkleinert nicht nur die Sequenzierdatenmenge, sondern auch die Kosten. So macht es dieser Chip möglich ein vollständiges Genom innerhalb von 18 Minuten, statt 24 Stunden zu analysieren. Mit diesem Prozessor schafft es die Firma Edico Genoms auf Platz Nummer eins der 10 besten Wissenschafts-Innovation 2014.

Die Sequenzierung eines Genoms benötigt nicht nur präzise und schnelle Geräte und Prozessoren, sondern auch Hochdurchsatz Technologie, um die genomischen Strukturen für die Analyse ins rechte Bild zu rücken. Der IrysChip V2 der BioNano Genomics linearisiert die Desoxyribonukleinsäure (DNS) und wird in Nanokanäle geleitet. So wird eine Bildgebung von mehreren Gigabasen DNS pro Stunde ermöglicht.

Profitieren wird die Pflanzenforschung auch von einigen anderen Top-Innovationtechnologien in der Zukunft. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) war einst auch ein Revolutionär in der Molekularforschung und muss sich nun neu beweisen. In immer neueren Geräten wird die PCR verbessert, um präzisere und standardisierte Daten zu liefern. Das RainDrop Digital PCR System der Firma RainDance Technologies ermöglicht mit seinem neuesten Model präzisere Quantifikationen von DNS durchzuführen, bei einem geringen Einsatz an Probenmaterial.

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Deutsche Forscher ermöglichen tiefe Einblicke

Waren die bisher erwähnten Firmen und Technologien ausschließlich US amerikanische Firmen und bis auf eine Ausnahme alle aus Kalifornien, reiht sich auch eine deutsche Firma unter den Top Ten ein. Leica Microsystems (Wetzlar, Deutschland) hat sein neues hochauflösendes Mikroskop auf den Markt gebracht. Es besitzt das innovative STED (Stimulated Emission Depletion) Prinzip, entwickelt vom des frisch gekürten Nobelpreisträger Stefan Hell (Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Göttingen), womit das Mikroskop neue Dimensionen der Auflösung erreicht. Das STED Prinzip ermöglicht eine gute Resolution auf der Z-Ebene und zeigt damit hochauflösende Bilder in 3D. Dies ermöglicht ein noch tieferes Eindringen in die Geheimnisse der Zellen und subzelluläre Strukturen und Dynamiken können nun entdeckt werden.

Aber nicht nur neue Maschinen ermöglichen es den Forschern neue Probleme zu bearbeiten, auch ein Literatur-Management Programm wird die Arbeit der Forscher vorantreiben. Der Kanadier Sam Molyneaux entwickelte die Plattform Sciencescape, die das persönliche organisieren von Wissenschafts-Veröffentlichungen vereinfacht und dem Nutzer ermöglicht, immer auf dem neuesten Stand der Wissenschaftsnachrichten zu bleiben. So bleiben die Forscher vernetzt und es ermöglicht einen einfacheren Austausch von Forschungsergebnissen.

Trend der Zukunft

Die neuen Technologien weisen einen Trend auf. Die Forschung entwickelt sich immer mehr in Richtung automatisierter, multiparalleler Analysen. Sind es im aktuellen Magazin vor allem Werkzeuge für die Genomforschung und Genanalyse nehmen nicht-invasive Verfahren zur Phänotypisierung, also der quantitativen und qualitativen Untersuchung pflanzlicher Strukturen und Funktionen, an Bedeutung zu. Die vollständige Genomanalyse von Pflanzen und Pflanzengeweben und die Phänotypisierung ergänzen sich hervorragend, um nicht nur die Gene, Eiweiße und Metaboliten sondern auch deren Wirkung zu verstehen.

Aber noch ein weiterer Trend lässt sich aus der Kür 2014 herauslesen: Die meisten Firmen der Top-Innnovationen sind in den Vereinigten Staaten beheimatet. Firmen aus europäischen Ländern sind derzeit eine Ausnahme. Finanzielle Ressourcen, die Bereitschaft zu Risiken, aber auch das immer wichtiger werdende IT-Knowhow mögen dabei eine Rolle spielen. Vor allem aber sollte es anregen, dass neben Europas Traditionsfirmen wie Leica auch junge Firmen sich einen Weg an die Spitze bahnen.