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„Mobile sequencing mit MinION“: Zukunftsweisendes Tool für Forschung und Lehre

Seit diesem Semester wird im PhD-Programm „Genetics, Epigenetics and Genomics“ ein neues Wahlpflichtfach angeboten, das Studierende auf den neuesten Stand der Technik in Sachen DNA-Analyse bringen wird. Die Rede ist von „third generation realtime sequencing“ in Form des MinION Systems – einem schnellen und mobilen Lesegerät, das revolutionäre Möglichkeiten verspricht und seit drei Jahren an der Sektion für Genetische Epidemiologie im Probelauf ist.

Es mag an der engen und überzeugten Verbindung von Biologie und Informatik am Campus und der daraus erwachsenden Expertise in „Computational Genetics“ oder auch am Engagement von Stefan Coassin, Sebastian Schönherr und ihren KollegInnen liegen, dass einer der innovativsten DNA-Sequenzierer aus der dritten Generation der Genom-Sequenzierung bereits seit 2015 an der von Univ.-Prof. Dr. Florian Kronenberg geleiteten Sektion für Genetische Epidemiologie probeweise im Einsatz ist.

MinION nennt sich das von der Firma Oxford Nanopore Technologies produzierte Gerät, das – nicht viel größer als ein USB-Stick – mit Hilfe von Nanoporen potentiell vollkommen neue Sequenzieranwendungen ermöglicht. Moderne Verfahren der Hochdurchsatz-Sequenzierung, die unter dem Begriff Next-Generation (oder Second-Generation) Sequencing (NGS), zusammengefasst werden, erlauben das Ablesen von maximal etwa 300 bis 700 Basenpaaren. Mit Nanopore-Sequenzierung ist gar bis zu einer Megabase (1 Million Basenpaare) lesbar. „Auf dem Feld der Nanoporen-Technologie, die zum sogenannten Third Generation Sequencing gerechnet wird und mit der sich einzelnen Basen beim Durchwandern durch kleinste Proteinporen identifizieren lassen, hat es in den letzten Jahren enorme Fortschritte gegeben“, weiß der Molekularbiologe Stefan Coassin, der 2017 im Rahmen einer Summer School im Labor von Nicholas J. Loman an der University of Birmingham, einem der führenden Experten im Bereich Nanopore-Sequenzierung, diese revolutionären Technologie im Detail kennenlernen durfte.

Neue Lehrmöglichkeiten mit „live“-Charakter
Die Größe des Geräts ist auch für seinen Kollegen, den Informatiker Sebastian Schönherr, „das Faszinierende an der Sache“, echtes mobiles Sequenzieren sowohl im Feld als auch „on the bedside“ rückt damit in den Bereich des Möglichen - wenn auch noch nicht in klinischer Verwendung. Diese Eigenschaften waren es auch, die Stefan Coassin und Sebastian Schönherr bestärkten, im Rahmen des PhD Studiums Genetics, Epigenetics and Genomics (Koordinator Assoz. Prof. Dr. Gerald Brosch) eine Lehrveranstaltung zum Thema Modernes Sequenzieren anzubieten. Ein Plan, der auch bei Peter Loidl, Vizerektor für Lehre und Studienangelegenheiten, auf offene Ohren stieß. Ende April fand schließlich der erste Workshop zum Thema „Next generation sequencing and nanopore sequencing: From wet lab and data processing to final interpretation“ mit sechs PhD-Studierenden statt. Informatik-Vorwissen war nicht vorausgesetzt. Der Wochenkurs bot an Vorbereitungs- und Praxistagen eine Einführung in die Grundlagen der NGS Technologie und vor allem in deren komplexe informatischen Auswertung und erlaubte schließlich auch die dritte Generation der Genom-Analyse mittels Nanopore-Sequenzierung kennenzulernen. „Das neue mobile Gerät besticht durch eine echte Einzelmolekülsequenzierung mit nahezu unbegrenzten Leselängen. Jedes Read (kleiner DNA-Abschnitt) ist ohne Verzögerung verfügbar, was eine Datenanalyse praktisch in Realzeit erlaubt. Innerhalb weniger Stunden werden bereits genügend Sequenzierdaten für viele Anwendungen, zum Beispiel Detektion und Einteilung mikrobieller Genome (Metagenomik), generiert“, sind Coassin und Schönherr begeistert. So wurden etwa die sechs KursteilnehmerInnen vor die Aufgabe gestellt, die DNA einer Mischprobe aus zwölf verschiedenen Bakterien und Viren – zur Verfügung gestellt von der Sektion für Hygiene und Medizinischen Mikrobiologie – zu analysieren und zuzuordnen und sich damit, unter anderem, in mikrobieller Metagenomik zu üben.

Genetics vor Ort
Dass moderne Sequenziertechnologien, gepaart mit den Möglichkeiten des Bereichs „Computational Genetics“ faszinierende Möglichkeiten eröffnen können, sind Erkenntnisse, die die sechs AbsolventInnen des neuen Laborkurses in jedem Fall mit nach Hause nehmen. Deshalb setzten die Verantwortlichen für das PhD-Studium „Genetics, Epigenetics and Genomics“ auch auf eine Fortsetzung des neuen Sequenzierkurses in einem der nächsten Semester. Aber auch anderen Lehrveranstaltungskonzepten im Bereich der Genomik, Infektionsbiologie oder Mikrobiom-Analyse soll die Vermittlung dieser analytischen Methoden zugutekommen. Und gerade weil „mobile sequencing“ sich nicht nur in den Laboren bewähren wird, könnte es neben der Feldforschung oder zur raschen Abklärung von lebensmittelbedingten Krankheitsausbrüchen auch bei öffentlichen Veranstaltungen wie etwa der „Langen Nacht der Forschung“ eingesetzt werden, um auch einem breiten Publikum zu demonstrieren, wie Genome und Mikrobiome entziffert werden.

(D. Heidegger)

Links:

Sektion für Genetische Epidemiologie
http://www3.i-med.ac.at/genepi/