Maßgeschneiderte DNA-Sequenzierung

Wie wichtig die richtige Auswahl der geeigneten Sequenziermethode für den Erhalt qualitativ hochwertiger Daten ist, erklärte Dr. Kerstin Stangier, Director Business Development der GATC Biotech AG der Redaktion von pflanzenforschung.de.

Die GATC Biotech AG, eine Firma in Privatbesitz mit über 100 Mitarbeitern und Hauptsitz in Konstanz am Bodensee, bietet ihren Kunden drei verschiedene DNA-Sequenziermethoden mit der passenden Bioinformatik an.

Pflanzenforschung.de: Zwischen welchen DNA-Sequenziermethoden können Ihren Kunden wählen?

Dr. Stangier: Je nach Bedarf bieten wir die klassische Sanger-Sequenzierung mit Readlängen von über 1000 Basenpaaren (bp), die Sequenzierung auf dem GS FLX von Roche mit Reads von durchschnittlich 400 bp und auf dem HiSeq2000 und dem Genome Analyzer, beide von Illumina, mit über 100 bp-Reads an. Die Technologien werden auch kombiniert, so dass alles - von kurzen PCR-Produkten bis hin zu ganzen Transkriptomen und Genomen - sequenziert werden kann.

Pflanzenforschung.de: Wer zählt zu Ihren Kunden?

Dr. Stangier: Unsere Kunden sind in allen akademischen Bereichen, z.B. aus Universitäten, MPIs und anderen Instituten, sowie der Industrie zu finden. Die Aufträge kommen aus den verschiedensten Forschungsgebieten, wie z.B. der Medizin, aus dem Pharmabereich oder der Agrochemie.

Pflanzenforschung.de: Welche biologischen Fragestellungen möchten Ihre Kunden mit den sog. „Next-Generation-DNA-Sequenziergeräten“ beantwortet haben?

Dr. Stangier: Dieses Spektrum ist in den letzten Jahren mit den neuen Sequenziertechnologien sehr breit geworden. In der Pflanzenwelt ist eine Applikation der Vergleich von Transkriptomen. Man kann z.B. untersuchen, wie sich Transkripte sowohl quantitativ als auch qualitativ verändern, wenn man die Pflanze mit Lichtmangel, Sauerstoffmangel oder Chemikalien stresst. Oder genetisch aufklären, warum eine Weizensorte gegen bestimmte Schädlinge resistent ist und eine andere nicht. Es sind also durchaus ganz praxisnahe Fragen. Ähnliche Fragestellungen lassen sich natürlich auch bei Bakterien, Pilzen oder humanen Proben bearbeiten.

#####bildbox1#####

Pflanzenforschung.de: Nach welchen Kriterien suchen Sie das passende Gerät aus?

Dr. Stangier: Dies hängt von der Fragestellung selbst und von den bereits vorhandenen Informationen ab. Wenn die Genomsequenz schon bekannt ist, wie bei Mais oder beim Menschen, kann man eine Resequenzierung vornehmen. Handelt es sich um einen Organismus, von dem keine Angaben zur Genomsequenz existieren, muss das Projekt als de novo-Sequenzierung betrachtet werden. Letztendlich ist die bioinformatische Auswertung das entscheidende Kriterium. Bei einer Resequenzierung, egal ob auf Transkriptom- oder Genomebene, kann man die einzelnen Reads – wir reden hier von einigen Millionen - auf die vorhandene Sequenz mappen. Man setzt sozusagen ein Puzzle nach einer Vorlage zusammen. Bei einer de novo-Sequenzierung fehlt diese Vorlage. Je größer die Puzzlestücke, also je länger die Reads, desto eindeutiger kann man die Zusammensetzung auch ohne Vorlage machen. Außerdem werden bei vielen Projekten mehrere Technologien kombiniert, um ein optimales Ergebnis aus langen Reads und hoher Coverage (Abdeckung) zu erhalten.

Pflanzenforschung.de: Was können die neuen „Next-Generation-DNA-Sequenziergeräte“, was mit Sanger nicht möglich war?

Dr. Stangier: Da der Output um ein Vielfaches höher ist und die Kosten per Base deutlich niedriger, lassen sich mit diesen Maschinen Projekte verwirklichen, die früher einfach nicht finanzierbar waren. Man kann z.B. viele Produktionsstämme von Bakterien sequenzieren und vergleichen, entweder in der Qualitätssicherung oder aber auch für die Optimierung der Stämme. 

Die de novo-Sequenzierung von großen und komplizierten Pflanzengenomen wird nicht nur finanzierbar, sondern auch in einem kurzen Zeitrahmen möglich. Besonders in der Krebsforschung lässt sich die  Entstehung von Tumoren analysieren. Damit lassen sich bessere und effizientere Behandlungsmethoden entwickeln.

Es sind also in vielen Bereichen neue Möglichkeiten entstanden, die unseren Alltag beeinflussen werden.

Pflanzenforschung.de: Welche Schwachstellen / Verbesserungsmöglichkeiten sehen Sie bei den von Ihnen verwendeten „Next-Generation-DNA-Sequenziergeräten“?

Dr. Stangier: Die verwendeten Geräte an sich sind inzwischen ausgereift und die Technik arbeitet zuverlässig. Es werden permanent neue Kits, z.B. für längere Leseweiten, auf den Markt gebracht, die bei uns im Haus natürlich einer zusätzlichen Qualitätskontrolle unterworfen werden, bevor wir sie unseren Kunden anbieten. Die „Schwachstellen“ liegen eher in der Bioinformatik. Die Auswerte-Tools werden meist nicht von den Herstellern der Maschinen zur Verfügung gestellt. Wir haben aufgrund unserer langjährigen Erfahrung mit den verschiedenen Technologien eine große Bioinformatik-Gruppe, die auch Pipelines für spezielle Fragestellungen unsere Kunden ausarbeitet.

In Bezug auf eine Verbesserung ist sicher eine Automation für einen höheren Probendurchsatz gewünscht, der derzeit von allen Herstellern weiterentwickelt wird. Daneben sind eine geringere Probenausgangsmenge und längere Reads gewünscht.

Pflanzenforschung.de: Wie lange dauert es und wie hoch liegen heutzutage ungefähr die Kosten für die de novo DNA-Sequenzierung eines Bakteriums / einer Pflanze / eines menschl. Genoms?

Dr. Stangier: Die reinen Sequenzierkosten hängen von der Größe ab: Ein Bakterium von 5 MB kann man für weniger als € 6.000 de novo sequenzieren, einen Pilz von 50 MB für weniger als € 20.000, eine Pflanze von 500 Mb für unter 180.000€. Beim menschlichen Genom spricht von eine Resequenzierung da es ja bereits in der Datenbank Sequenzen gibt. Mit den neuesten Sequenziertechnologien – es genügen kürzere Reads – kann man ein einzelnes Humangenom derzeit für 5.000 Euro erhalten, realistisch gesehen sollte man allerdings 30.000 bis 40.000 Euro investieren, um aussagekräftige Daten zu erhalten. Die Rohdatenproduktion dauert in keinem Fall länger als ein bis zwei Wochen.  Die Hauptarbeit fängt aber erst nach der Sequenzierung an: Datenauswertung und vor allem -interpretation sind auch heute noch zeitaufwändig.

#####bildbox2#####

Pflanzenforschung.de: Mittlerweile ist auch das erste „Single-Molecule-DNA-Sequenziergerät“ (Helicsope von Helicos Biosciences) auf dem Markt. Sind Geräte dieser Art auch für Ihre Anwendungen interessant?

Dr. Stangier: Eine geringere Menge an Ausgangsmaterial ist für bestimmte Fragestellungen von großer Bedeutung, bei anderen Applikationen spielt es keine Rolle. Solche Geräte können unser Portfolio erweitern. Pacific Bioscience und Oxford Nanopore Technologies entwickeln Maschinen, die neben einzelnen Molekülen auch eine lange Leselänge – im Gegensatz zum Heliscope - haben sollen. Es wird also mehr die Kombination verschiedener Innovationen sein, die die sog. „Gen3“ oder „Third-Generation“-Sequencer interessant machen. Es steht außer Frage, dass wir ein oder mehrere dieser Gen3-Geräte in unserem Labor integrieren werden.

Pflanzenforschung.de: Was wird in Zukunft im Bereich der DNA-Sequenzierung möglich sein?

Dr. Stangier: Man kann sich einige Szenarien vorstellen, am eindeutigsten sicherlich im Bereich der Humangenomsequenzierung. Die Begriffe „personalisierte Medizin“ und „gläserner Mensch“ spiegeln verschiedenen Strömungen wider, die sowohl die Chancen als auch die Risiken beinhalten. Wenn die Kosten noch geringer werden und die Auswertetools genauer, werden viele Krankheiten sicherlich effizienter zu behandeln sein. 

Im Bereich der Pflanzen lassen sich für die Schädlingsbekämpfung und auch für die Ertragssteigerung neue Erkenntnisse gewinnen. Die DNA-Sequenzierung wird sicherlich noch kostengünstiger werden. Wir müssen aber auch der Datenflut eine biologische Bedeutung geben. Somit wird die Aufgabe der Wissenschaftler in der Interpretation dieser Daten liegen. Und das „Allheilmittel“ zur Beantwortung aller Fragen wird die Sequenzierung nicht sein.

Pflanzenforschung.de: Vielen Dank für das Gespräch!