Potenzial und Anwendungsmöglichkeiten von NGS

Vollgas bei der Sequenzierung

Die Next-Generation-Sequenzierung (NGS) erlaubt die Sequenzierung von DNA und RNA im Hochdurchsatz. Die solchermaßen beschleunigte Analytik hat die Forschung in der Genomik und Molekularbiologie in den vergangenen Jahren revolutioniert. Warum das Potenzial der Methodik ungebrochen ist und wo Anwendungsmöglichkeiten liegen, erläutert Dr. Paul Scholz, Research Scientist & Projektmanager bei der Brain AG.

Anwendungsbeispiel NGS: Das Metagenom von der Zunge eines Delphins wurde mit vielen anderen Daten zusammengeführt. So haben Wissenschaftler einen komplett überarbeiteten Baum des Lebens aufstellen können. (Bild: Fotolia / Tonsofbackgrounds

Die in den 1970er-Jahren erstmals genutzten DNA-Sequenzierungsmethoden wurden in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt, um Kosten, Geschwindigkeit, Qualität und Durchsatz zu optimieren. Im letzten großen Entwicklungsschritt entstand das Next-Generation-Sequencing (NGS), ein Verfahren, das Wissenschaftlern ermöglicht, riesige Mengen auch unterschiedlicher DNA-Fragmente in einem Durchlauf voll automatisiert zu entschlüsseln. Rapide wachsende Rechnerleistungen, die intelligente Steuerung biochemischer Prozesse und der Umgang mit gigantischen Datenmengen haben den Weg dorthin geebnet.  

Es heißt, Next Generation Sequencing (NGS) revolutioniere mindestens die Lebenswissenschaften, die Medizin und die Evolutionsbiologie. Wie sehen Sie das?
Scholz: 
Der rasante Fortschritt auf Basis neuer Hochdurchsatzmethoden in der biologischen und medizinischen Forschung ist längst im Gange. Methoden wie NGS erlauben eine völlig neue Versuchsplanung und unzählige neue Erkenntnismöglichkeiten. Früher musste man beispielsweise ein zu untersuchendes Gen gut kennen oder zumindest die Region des Genoms bzw. Transkriptoms, wo es sich befindet. Durch Methoden wie NGS wird das gesamte Genom oder Transkriptom eines Organismus in einem einzigen Arbeitsschritt analysiert. Man detektiert quasi ganzheitlich ohne Einengung auf bestimmte Genom-Regionen.

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Dr. Paul Scholz studierte Biologie an der Universität zu Köln und der Ruhr-Universität Bochum. Während seiner Promotion am Institut für Zellphysiologie der Ruhr-Universität Bochum beschäftigte er sich mit den Signaltransduktionsmechanismen in olfaktorischen Rezeptorneuronen Geruchssinneszellen) von Säugetieren mithilfe elektrphysiologischer sowie bioinformatischer Methoden. Seit 2016 ist er als Research Scientist und Project Manager bei der Brain AG tätig.

Welchen Einfluss hat diese Entwicklung auf die biotechnologische Forschung?
Scholz: Grundlegend bieten Hochdurchsatzmethoden die Chance, die noch weitgehend unerforschte Artenvielfalt auf der Erde schneller und effizienter zu sequenzieren und damit auch neue naturbasierte Proteine und Enzyme für biotechnologische Anwendungen zu entdecken. In der biotechnologischen Forschung, die wir auch bei Brain betreiben, ist man darüber hinaus in der Lage, komplette Genome neu entdeckter bzw. neu generierter Bakterien oder Hefestämmen zuverlässig zu assemblieren – also mithilfe von Computerprogrammen zusammenzuführen oder nachzubauen.

Zudem können zielgerichtet im Labor hervorgerufene Mutagenesen sowie natürliche Genveränderungen oder die Effekte von Umwelteinflüssen analysiert werden. Wahrlich bahnbrechend ist die genomweite Analyse von Auswirkungen einzelner Reagenzien oder sogar Nahrungsmittel auf die Genexpressionen in einem kompletten Genom. Auch wenn man nur an einem Gen eine Veränderung vornimmt, ist dies zumeist relevant für die Expression vieler Gene. 

Ist mit NGS-Methoden jetzt das Ende der Fahnenstange erreicht?
Scholz: 
So wie in den 70er-Jahren niemand NGS vorhersagen konnte, werden sich die Techniken zur DNA/RNA-Sequenzierung ganz gewiss auch zukünftig weiterentwickeln. NGS braucht heute immer noch enorme Rechenleistung, Speicherkapazität und Hightech-Bio- informatik. Es gibt also noch viele Stellschrauben zur weiteren Verbesserung.

Gibt es ein konkretes Fortschrittsbeispiel, das Ihnen besonders gefallen hat?
Scholz: 
Erst vor wenigen Monaten hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Jillian F. Banfield von der Universität Kalifornien, Berkeley, einen völlig neuen Stammbaum des Lebens vorgestellt, in den alle bis dahin bekannten Lebensformen der Erde aufgenommen wurden. Insgesamt geht es um etwa 2,3 Millionen Tiere, Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen. Das Forscherteam hat dafür Daten aus Tausenden von Studien der letzten Jahre zusammengeführt. Und es hat mittels NGS eigene Metagenomproben verschiedener Habitate analysiert. Man hat dabei auch sehr unkonventionelle Habitate wie das Metagenom von der Zunge eines Delphins hinzugezogen. Durch das Zusammenführen der bereits bekannten sowie der neu erhobenen Daten waren die Wissenschaftler in der Lage, einen komplett überarbeiteten Baum des Lebens aufzustellen.

Die wohl spektakulärste Erkenntnis für diesen Lebensbaum ist ein neuer Ast, der von den sogenannten „Candidate Phyla Radiation“ gebildet wird. Dabei handelt es sich um eine komplett neu entdeckte Domäne einzelliger prokaryotischer Organismen ohne Zellkern. Der Clou ist, dass diese bis vor kurzem noch unbekannte Domäne in ihrer Artenvielfalt ungefähr ein Drittel aller bisher bekannten Lebensformen ausmacht. Auch wenn dies nur eine Momentaufnahme ist, gehen wir also jetzt davon aus, dass Mikroorganismen drei der vier großen Äste im Stammbaum des Lebens bilden – und zwar die Domäne der Archaeen (Urbakterien), die Domäne der Bakterien und die neu entdeckte Domäne der „Candidate Phyla Radiation“. Tiere und Pflanzen bilden hingegen nur einen Bruchteil des vierten Hauptastes, der Domäne der Eukaryoten.

An solchen Arbeiten sieht man nicht nur, welcher Artenreichtum noch im Verborgenen liegt, sondern auch, welches Erkenntnispotenzial für die Wissenschaftsdisziplin Biologie NGS und andere neue biotechnologische Analysemethoden haben. 

Das Auslesen des Genoms und Transkriptoms ist eine Sache. Aber wie steht es mit dem Verstehen der abgelesenen Informationen: Wächst das Verständnis so schnell wie Rechnerleistung und Datenbanken?
Scholz: 
Das Genom und biochemische Prozesse im Organismus sind in der Tat hochkomplex. Und natürlich ist NGS nicht die Wundertechnik, um alle Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen. Es wird noch sehr lange dauern, bis die Forschung soweit ist. Aber NGS ist ein Riesenschritt, indem es extrem schnell und zuverlässig einen Gesamtüberblick über das komplette Genom bzw. Transkriptom von Zellen, Geweben und ganzen Individuen ermöglicht.

Sie kümmern sich bei Brain um das Thema DNA/RNA-Sequenzierung – welche konkreten Aufgaben fallen an?
Scholz: 
Es geht um die Analyse kompletter Genome und Transkriptome, wobei der Fokus je nach Projekt und Fragestellung sehr unterschiedlich sein kann. So kann es in einem Projekt um die Suche nach Mutationen in einem Hefestamm gehen. In einem anderen wird nach Genen gesucht, die in Zellen nach dem Kontakt mit einem speziellen Naturstoff hochreguliert werden.

Nehmen wir ein konkretes Beispiel unserer Enzymforschung: Ein Bakterien- oder Hefestamm, der ursprünglich aus unserem BioArchiv stammt und den wir biotechnologisch optimiert haben, produziert zuverlässig ein neues Enzym. Das ist gut zu wissen. Noch besser ist es aber, außerdem zu verstehen, wie und warum die DNA-Modifikation des Produktionsstammes funktioniert. Hierfür benötigen wir eine Stamm-Sequenzierung. Diese Analyse liefert Aufschluss darüber, an welcher Stelle im Genom eine Veränderung des Erbguts stattgefunden hat, wie genau diese Veränderung aussieht und ob es weitere, ggf. auch unerwünschte Veränderungen im Erbgut gibt, die wir dann wieder rückgängig machen, um die Ausbeute an unseren gewünschten Produkten zu erhöhen. 

Gibt es außerhalb der Forschung noch Anwendungsbereiche?
Scholz: 
Nicht zuletzt sind die Sequenzierungstechniken wichtig, wenn man neue Produkte in den Markt einführen will. Bei bestimmten Zulassungsverfahren fordern Behörden detaillierte Angaben hierzu. Oft sind sie auch erforderlich, um Erfindungen patentrechtlich schützen zu können.

Welche Bedeutung hat das Next Generation Sequencing für Brain?
Scholz: 
NGS spielt bei Brain eine zunehmend wichtige Rolle. Es ist für uns essenziell, verbesserte Produktionsstämme für Enzyme oder andere Biomoleküle bestmöglich und effizient zu charakterisieren. Mittlerweile ist es Standard, Genome unserer Stämme mittels NGS komplett zu analysieren – auch um unerwünschte Effekte frühzeitig auszuschließen. Bei der Transkriptomanalyse, bei der es um die Regulation von Genen geht, setzen wir ebenfalls zunehmend auf NGS-Methoden. Das hilft uns dabei, die Effekte von veränderten Umgebungsbedingung oder Mutationen auf das komplette Transkriptom zu verstehen.

In welchen Forschungsfeldern und Anwendungsgebieten der Brain sehen Sie Potenzial auf NGS-Grundlage?
Scholz: 
Ein Beispiel sind neue Forschungsprojekte, die wir gerade planen und die sich mit dem Thema Metagenom befassen. Damit gemeint ist die

Gesamtheit genomischer Informationen mehrerer Tausend verschiedener Mikroorganismen, die in einer Lebensgemeinschaft koexistieren.

Ziel ist es, die kompletten Genome dieser Habitate zu sequenzieren und zu analysieren. Dabei werden wir natürlich auch Ausschau halten nach neuen DNA-Sequenzen zum Beispiel von Enzymen, die für biotechnologische Anwendungen von Interesse sein können.

Thomas Deichmann
Head of Public Relations Brain AG
Der Text erschien in ähnlicher Fassung im Unternehmensmagazin Blickwinkel (Q2 2016/17).


Über die Brain AG
Das in Südhessen ansässige Unternehmen gehört nach eigenen Angaben in Europa zu den technologisch führenden Unternehmen auf dem Gebiet der industriellen („weißen“) Biotechnologie. Seit Februar 2016 notiert das Unternehmen als erstes deutsches Unternehmen aus dem Bereich der Bioökonomie im Prime Standard der Frankfurter Wertpapierbörse. Das Geschäftsmodell der Brain steht auf zwei Säulen:
BioScience: strategische Kooperation – Zusammen mit strategischen Partnern aus der Zielindustrie identifiziert Brain z.B. auf Basis von exklusiven Lizenzverträgen in F&E Kooperationsprogrammen bislang unerschlossene, leistungsfähige Enzyme, mikrobielle Produzenten-Organismen oder Naturstoffe aus komplexen biologischen Systemen, um diese industriell nutzbar zu machen. Ziele sind die Ablösung klassischer chemisch-industrieller Prozesse durch neuartige, ressourcenschonende Verfahren, sowie die Etablierung neuer Prozesse und Produkte.
BioIndustrial: Entwicklung eigener Produkte für B2B- und B2C-Märkte – Die 2010 initiierte Industrialisierungsstrategie konnte durch eine erfolgreiche M&A-Aktivität ausgebaut werden. Sie erlaubt der Brain AG in der Brain-Gruppe den Zugriff auf die gesamte Wertschöpfungskette verschiedener lukrativer Märkte von der Identifizierung biologischer Lösungen, deren Entwicklung sowie der Implementierung dieser in den Zielindustrien.

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