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Improving DNA Analysis for Correct Healthcare

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Einfache DNS-Sequenzierungsmethode

Die DNS-Sequenzierung hat zweifelsohne das Gebiet der Genetik revolutioniert. Die komplette Sequenzierung vieler wichtiger genomischer Regionen in der Medizin, Landwirtschaft und weiteren Sektoren gestaltet sich allerdings nach wie vor schwierig. Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurde eine proprietäre Technologie entwickelt, die viele der Herausforderungen überwindet.

Industrielle Technologien
Gesundheit

Die 1977 entwickelte Sanger-DNS-Sequenzierung imitiert den natürlichen Prozess der DNS-Synthese, um die Sequenzen kleiner DNS-Regionen zu erfassen. In der vergangenen 10 Jahren wurden superschnelle Technologien entwickelt – die unter dem Begriff „Sequenzierung der nächsten Generation“ (NGS) zusammengefasst sind – welche die Sequenzierung mehrerer DNA-Fragmente mit höheren Geschwindigkeiten zu einem Bruchteil der Kosten ermöglichen. Im Wesentlichen werden bei der NGS mehrere Sanger-Sequenzierungsreaktionen parallel durchgeführt. Trotz dieser Fortschritte gestaltet sich die sinnvolle Sequenzierung vieler genomischer Regionen von medizinischer und landwirtschaftlicher Bedeutung nach wie vor schwierig.

Mikrofluidik bei der Genomanalyse

Die EU-finanzierte IMPACT-Initiative zielte darauf ab, wichtige Herausforderungen in Verbindung mit bewährten Genomikverfahren zu überwinden. „Unser Ziel war, die Analyse von genomischen Regionen zu ermöglichen, die mit anderen Technologien nicht zugänglich sind“, erklärt Marie Just Mikkelsen, CTO und Mitbegründerin von Samplix. Das IMPACT-Team entwickelte einen mikrofluidikbasierten Ansatz (Xdrop®), der biologisches Material wie DNS in überaus stabilen doppelten Emulsionstropfen für die nachgelagerte Genomanalyse kapseln kann. Das Verfahren beginnt mit dem Einfangen von DNS-Molekülen in Tropfen. Daraufhin wird die Detektionssequenz in Bezug auf die Region von Interesse mithilfe einer Droplet Polymerase Chain Reaction (Droplet PCR) amplifiziert. Die amplifizierte Sequenz hat ein fluoreszierendes Signal, das die Einordnung der Tropfen mit dem gewünschten Ziel ermöglicht, die dann mithilfe einer Amplifizierung per Droplet Multiple Displacement Amplification (dMDA) weiter angereichert werden. Xdrop® unterstützt die Analyse von Proben mit geringer DNS-Konzentration, um Material zu liefern, das sowohl für lange als auch kurze Sequenzerfassungen geeignet ist. Von Bedeutung ist, dass das Verfahren lange DNS-Regionen einfangen kann, was die Identifizierung und Untersuchung von Insertionen, Löschungen, Wiederholungen und Lücken in der genomischen Region von Interesse ermöglicht. Dies ist vor allem für genomische Regionen wichtig, die an Erkrankungen beteiligt sind. Das Produkt kann auch DNS-Moleküle aus winzigen Mengen biologischer Proben gewinnen, etwa von Tumorbiopsien.

Anwendungsmöglichkeiten und Aussichten von IMPACT

„Die Anforderungen der Benutzenden zu verstehen, ist von herausragender Bedeutung für die Entwicklung neuer Technologien“, betont Mikkelsen. Die IMPACT-Partner investierten Zeit und Arbeit in die Benutzendeninteraktion, da Anlagen von Benutzenden besucht wurden, um wertvolles Feedback einzuholen, das zur Optimierung von Xdrop® für verschiedene Anwendungen führte. Die Technologie wurde erfolgreich bei Genomeditierungsprojekten angewandt, in denen sie die Fähigkeit zur Identifizierung genomischer Veränderungen wie auch unbeabsichtigter Editierungen demonstrierte. Des Weiteren sind aus Projekten, die Xdrop® zur Untersuchung von Krebsgenen und biosynthetischer Gencluster im Genom von Gerste verwenden, interessante Ergebnisse hervorgegangen. Die Technologie ist auch für die Wiedergabe unbekannter genomischer Regionen in Pflanzen und Tieren geeignet. „Alles in allem hat Xdrop® eine erhebliche Vielseitigkeit gezeigt, und die Technologie wird voraussichtlich nachhaltige Auswirkungen auf die Gebiete der Genomik und Zellbiologie haben“, lautet das Fazit von Mikkelsen. Das Instrument bietet die Fähigkeit zur Kapselung einzelner Moleküle, Organellen oder Zellen in doppelten oder einfachen Emulsionstropfen, und eröffnet somit neue Möglichkeiten für nachgelagerte Analysen. Fortlaufende Maßnahmen sind auf die Entwicklung zusätzlicher Xdrop®-basierter Dienste und die Unterstützung von Benutzenden ausgerichtet, die neue Anwendungsmöglichkeiten erforschen. Das Team arbeitet zudem an neuen Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung des Verfahrens, während gleichzeitig die Benutzerfreundlichkeit der Technologie erhalten bleibt.

Schlüsselbegriffe

IMPACT, Xdrop®, DNS-Sequenzierung, Mikrofluidik, Genomanalyse, Gesundheitsversorgung, Droplet Polymerase Chain Reaction, Multiple Displacement Amplification

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