OpenPCR: Sequenzier doch mal!

14. September 2012
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Egal, ob Lebensmittel untersucht, Verbrecher überführt, oder Krankheiten nachgewiesen werden – die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist zur Stelle. Neue Innovationen wie „OpenPCR“ machen das Verfahren alltagstauglich.

Sie hassen Rosenkohl? Dahinter stecken genetische Faktoren, ist sich „BioCurious“ sicher. Die Initiative sieht sich selbst als „Treffpunkt für Forscher, Bürger, Studenten, Aktivisten und Bastler“. Ihr Ziel: „Biohacking“, sprich allen Interessierten genetische Untersuchungen ermöglichen. Ein Gerät darf hier nicht fehlen, nämlich der Thermocycler von „OpenPCR“. Bis dahin war es jedoch ein weiter Weg.

Die entscheidende Nacht

Als sich der Biochemiker Kary Mullis vor fast 30 Jahren an das Steuer seinen Hondas setzte, um von San Francisco in das nahe gelegene Mendocino zu fahren, hätte er sicher mit allem gerechnet – nur nicht damit, die Welt durch seine nächtliche Autofahrt grundlegend zu verändern. Schon lange quälte er sich mit der Frage, wie sich gezielt einzelne Abschnitte von DNAMolekülen in vitro vervielfältigen lassen. Mullis nächtlicher Geistesblitz: Er simulierte den natürlichen Prozess bei Zellteilungen – mit entscheidenden Unterschieden. Doppelhelikale DNA-Fäden lassen sich durch höhere Temperaturen trennen. Nach dem Abkühlen binden kurze, synthetische Startmoleküle, so genannte Primer. Sie sollten möglichst komplementär zum interessanten Bereich sein. Schließlich baut ein spezielles Enzym, die Polymerase, anhand einer DNA-Matrize den komplementären Strang mit einzelnen Basen auf. Das erwies sich als genial und mühsam zugleich: Jeder Schritt verdoppelte das genetische Material, aber immer wieder musste auf 90 Grad erhitzt werden – was zur Zerstörung der teuren Polymerase führte. Dieses Problem ließ sich mit einem hitzeliebenden Bakterium aus dem Yellowstone-Nationalpark lösen: Thermus aquaticus fühlt sich in heißen Quellen pudelwohl, das passende Enzym Taq-Polymerase übersteht auch hitzige PCR-Zyklen.

Wechselbäder für Gene

Der Siegeszug von Mullis´ Methode ist auch eng mit technischen Innovationen verknüpft. Während der Forscher seine Reaktionsgefäße noch in verschieden temperierte Wasserbäder hieven musste, übernehmen heute Thermocycler diese Aufgabe. Viele Geräte arbeiten mit einem massiven, gut wärmeleitenden Block aus Aluminium oder Silber, der Bohrungen für Reaktionsgefäße hat. Findige Elektronik steuert die Temperatur. Später kamen Karussell-Cycler mit hinzu: Hier temperiert heiße oder kalte Luft die Röhrchen. Wichtige Vorteile sind schnelle Aufheiz- und Abkühlraten sowie homogene Temperaturverteilungen. Weitere Innovationen setzen auf Heizblöcke mit flüssigen Legierungen oder auf dünne, stromdurchflossene Reaktionskammern, entsprechende Geräte sollen bald auf dem deutschen Markt erhältlich sein. Allerdings sind kommerzielle Geräte auch 30 Jahre nach Mullis´ Entdeckung für Studenten, Schulen oder ambitionierte Laien zu teuer, um selbst molekularbiologisch arbeiten zu können.

Revolution „OpenPCR“

In San Francisco hatten Tito Jankowski und Josh Perfetto mit genau diesem Problem zu kämpfen. Sie bezeichnen sich als „Biohacker“ und Mitglieder der wachsenden DIYbio-Bewegung (Do It Yourself in biology). Ihr Budget: minimal. Ihr Ziel: Alle, auch Laien, sollen die Möglichkeit bekommen, molekularbiologische Experimente durchzuführen, um mehr über sich sowie über ihre Umwelt zu erfahren. Handelsübliche Maschinen kosten jedoch mehrere tausend US-Dollar. Allein deshalb fehlt vielen Menschen der Zugang zu modernen Technologien. „Wir begannen mit dem OpenPCR-Projekt, als wir erkannten, dass wir beide ein PCR-Gerät brauchen”, sagt Jankowski. Und Perfetto ergänzt: „Unser Ziel war nicht nur, ein preisgünstiges, sondern auch ein leicht bedienbares Gerät zu entwickeln.” Auch wollten die beiden Entwickler PCR-Kosten in kommerziellen Labors durch schnellere Aufheizraten und folglich kürzere Laufzeiten senken. Eine bessere Versuchsplanung spart Chemikalien, vor allem Enzyme.

Unterstützung durch den Schwarm

Doch wer sollte den beiden Forschern bei ihrer kostspieligen Entwicklung unter die Arme greifen? Tito Jankowski und Josh Perfetto beschlossen, auf die Unterstützung aller Menschen mit Wissensdrang zu setzen. Sie veröffentlichten ihr Projekt bei der Crowdfunding-Plattform Kickstarter: Ihr Prototyp wird mit Arduino gesteuert, einer offenen Software- und Hardwareplattform. In einem Aluminiumblock befinden sich 16 Vertiefungen für Reaktionsgefäße, darüber ist ein beheizter Deckel. Das Ziel, 6.000 US-Dollar für weitere Entwicklungsarbeiten zu bekommen, war schnell erreicht – User investierten sage und schreibe 12.000 US-Dollar. Damit hatten Jankowski und Perfetto nicht gerechnet. Sie posteten umgehend: „Wow! Vielen Dank für euer überwältigendes Interesse! Da wir unser Minimalziel übertroffen haben, können wir dank zusätzlicher Mittel OpenPCR noch besser machen.“ Für nur 599 US-Dollar können Interessierte jetzt einen Thermocycler bestellen. Gesagt – getan. Die DocCheck-Redaktion orderte kurzerhand einen Bausatz über das Web. Beim Auspacken machte sich esrt einmal Erstaunen breit: Das Kit glich eher Lieferungen schwedischer Möbelhäuser als einem Hightech-Thermocycler. Dank einer detaillierten Anleitung baute der Autor daraus eine „OpenPCR“-Maschine auch ohne Elektrotechnik-Masterabschluss in drei bis vier Stunden zusammen. Mit dabei: eine Applikation, basierend auf Adobe Integrated Runtime (AIR). Laut Testprotokoll liefen alle Funktionen tadellos – Zeit für ein Experiment.

Genetische Information für alle

Wer sein eigenes Erbgut untersuchen oder mehr über seine Umwelt erfahren möchte, muss weder Millionär sein noch in einem Forschungslabor arbeiten. New Yorker Schülerinnen wiesen beispielsweise nach, dass zwei von vier Sushi-Restaurants und sechs von zehn Lebensmittelgeschäften falsch etikettierten Fisch verkauft hatten. Sie identifizierten über „DNA-Barcoding“ Organismen anhand charakteristischer Sequenzen. Genetisch veränderte Lebensmittel bleiben mit dem Hightech-Kasten ebenfalls kein Geheimnis mehr – „OpenPCR“ stellt ein Projekt vor, bei dem Jugendliche ohne große Vorkenntnisse alles von der Tomate bis zum Tortilla-Chip untersuchen. Bei der Probenvorbereitung kommt auch eine Dremelfuge zum Einsatz. Dahinter verbirgt sich ein weiteres Hardware-Open-Source-Projekt: Schnell drehende Elektrowerkzeuge werden kurzerhand zur leistungsfähigen Zentrifuge umfunktioniert.

Die „Garagenbiologie“ ist wieder einen guten Schritt vorangekommen – bereits vor zwei Jahren gaben Nature-Redakteure in einem Editorial zu bedenken, akademische Wissenschaftler sollten diese Konkurrenz durchaus ernst nehmen.

51 Wertungen (4.53 ø)
Medizin

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6 Kommentare:

Liebe Community-Mitglieder!

Ein Hinweis zum Experiment: Die Mundschleimhautzellen ließen sich enzymatisch gut aufschließen: ohne Chloroform, ohne Phenol. Das entsprechende Kit trägt herstellerseitig keine Kennzeichnung als Gefahrstoff. Ansonsten kamen Salze und Ethanol zum Einsatz. Nach der Amplifizierung wurde DNA nicht mit Ethidiumbromid angefärbt, sondern mit einem Farbstoff, der sogar im Schulunterricht eingesetzt wird. Das heißt keineswegs, dass die Substanz harmlos ist ¿ allerdings erfordert das PCR-Experiment nicht unbedingt eine Elektrophorese. Vielmehr sollte gezeigt werden, dass wirklich neue Nukleinsäuren entstanden sind. Hinter ¿OpenPCR¿ steckt ein Hintergedanke, den man teilt oder eben nicht teilt: Jeder Mensch, nicht nur Ärzte oder Biologen, sollen Zugriff auf genomische Informationen des eigenen Erbguts haben.

Mit besten Grüßen

Michael van den Heuvel

#6 |
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Dr. med. Stefan Krüger
Dr. med. Stefan Krüger

Vielen Dank, Frau Lippert, dass Sie in diesem Zusammenhang auch auf die potentielle Gefahr der zu verwendenden Chemikalien hingewiesen haben. Die potentiellen Gefahren von Ethidiumbromid sind unbestreitbar, der angeblichen Ungefährlichkeit von interkalierenden Farbstoffen stehe ich wie Sie sehr skeptisch gegenüber.

Ich hätte, ehrlich gesagt, einen Kommentar des Autors dieses Artikels, Herrn Dipl.-Chem. Michael van den Heuvel erwartet. Als Chemiker könnte er gewiss auch etwas zu den Gefahrenpotentialen der angesprochenen Substanzen beitragen.

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Annemarie Lippert
Annemarie Lippert

Nunja… zumindest hierzulande dürfte es schwierig werden, die benötigten Chemikalien zu bekommen, da viele Hersteller nicht an Privatpersonen liefern. Und dann ist da noch das Gefahrstoffproblem, das bereits angesprochen wurde… Phenol und Chloroform für die DNA-Reinigung lassen sich in vielen Proben durch Proteasen ersetzen, aber Detektion ohne interkalierende Farbstoffe? Die neueren Farbstoffe sind zwar laut Herstellern weniger gefährlich, aber da sie nach dem gleichen Mechanismus funktionieren wie Ethidiumbromid wäre ich da vorsichtig.

#4 |
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Dr. med. Stefan Krüger
Dr. med. Stefan Krüger

Als Facharzt für Humangenetik, der jeden Tag nicht nur qualifiziert mit den hier beschriebenen Techniken professionell umgeht, sondern auch (und das ist entscheidend) den Patienten und Ratsuchenden erklären kann, wie die Ergebnisse zu interpretieren sind, kann ich nur eines sagen:

Das ist wirklich der groesste Unsinn (nein, ich vergesse jetzt meine gute Kinderstube und sage: der groesste Schwachsinn), die groesste Fehlentwicklung, von der ich in meinem Berufsleben je gehört habe. Das groesste Problem dabei ist, das “PCR zum Selbstversuch” nicht nur extrem unsinnig, sondern auch extrem gefährlich ist (natürlich nicht der Versuch “im Reagenzglas” selbst, sondern die Konsequenzen). Schlimm, dass es (fehlgeleitete) Menschen gibt, die das propagieren. Noch schlimmer sind Medien/Journalisten, die das befördern.

Herr Dipl.-Chem. Michael van den Heuvel, haben Sie mal eine Zehntelsekunde darüber nachgedacht, was Sie hier eigentlich verbreiten?

#3 |
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Dr. rer. nat. Natalie Reimers
Dr. rer. nat. Natalie Reimers

Ich verstehe das nicht. Wie sollen die PCR Produkte, die man hergestellt hat, analysiert werden? Ein ethidiumbromid Gel sollte man sich wohl kaum ins Wohnzimmer stellen.

#2 |
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DP Volker Ramm
DP Volker Ramm

hm… neue Innovation? Wieso fällt mir da ‘tote Leiche’ ein? ;)
Aber der Artikel ist wirklich sehr interessant. Danke!

#1 |
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