Nützliche Werkzeuge in der Genomanalyse: DNA-Chips

Eine große Herausforderung für die heutige biologische und biotechnologische Forschung liegt in der Entschlüsselung der kodierten Information lebender Zellen. Neben dem reinen "Lesen" dieser Information durch die Analyse der molekularen Zusammensetzung der als "Informationsspeicher" agierenden Makromoleküle, wie Desoxyribonukleinsäuren (DNS, englisch abgekürzt DNA), Ribonukleinsäuren (RNS) und Proteinen, gilt es darüber hinaus, die zellulären Strategien zur biologisch sinnvollen Umsetzung dieser Informationen aufzuklären. Die Komplexität dieses Systems wird beim Betrachten der Vielzahl unterschiedlich differenzierter Zelltypen eines Organismus besonders deutlich. Ausgestattet mit einem identischen Informationsgehalt entwickeln sich die Zellen entweder einem genetisch determinierten Programm folgend oder als Reaktion auf veränderte Signale der Umwelt zu morphologisch und funktional spezialisierten Einheiten. Andererseits können geringste Abweichungen im Informationsgehalt einzelner Gene Auswirkungen auf ganze Kaskaden molekularer Interaktionen nach sich ziehen und so zu schwersten Erkrankungen führen. Biologische Forschung kann somit in weiten Feldern wie eine Informationswissenschaft angesehen werden. Biologische Informationen über einzelne Gene oder deren Wechselwirkungen mit anderen Biomolekülen werden diagnostische Anwendungen revolutionieren und sind von teilweise immensem kommerziellen Wert. Die für das Jahr 2001 prognostizierte Entschlüsselung der drei Milliarden Nukleinsäurebasenpaare des humanen Genoms, der Gesamtheit aller menschlichen Erbanlagen, ist in Sicht und wird das Verständnis über die Unterschiede zwischen kranken und gesunden Zellzuständen novellieren. Die Analyse kompletter Genome wird unter anderem neue Erkenntnisse über Zellwachstumsprozesse, Entwicklungsvorgänge, Zelldifferenzierungsverläufe und Zellalterungsfortgänge liefern. Biologische Forschung als Informationswissenschaft
Die Geschwindigkeit, mit der biologische Information gesammelt wird, ist in einem hohen Maß von den Werkzeugen der Forschung abhängig. Ein relativ neues und dynamisches Instrument sind hierbei mikroskopisch kleine Raster auf ebenen Arealen aus unterschiedlich langen DNA-Fragmenten, die als DNA-Chips oder Microarrays bezeichnet werden. Die Basis für die Funktion dieser Chips liegt in der DNA-Doppelhelix, die immer aus zwei komplementären Einzelsträngen gebildet wird. Allen DNA-Chips ist gemeinsam, daß ein DNAStrang auf der Oberfläche fixiert wird und aus einer aufgebrachten Lösung sein markiertes Komplement mit sehr hoher Spezifität an sich binden kann. Dieser Vorgang wird als Hybridisierung bezeichnet. Neben den DNA-Hybridisierungchips wird das Schlagwort DNA-Chip auch in anderen Forschungsvorhaben gebraucht. Neben hochdichten Rastern von DNA auf einer planaren Oberfläche gibt es auch Bestrebungen, in kleinsten Reaktionskammern aus Silizium die Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) zur Verfielfältigung von DNA einzusetzen. Weiterhin gibt es Entwicklungen, in denen Biomoleküle wie Bakteriorhodopsin zur "biodigitalen" Speicherung von Information genutzt werden. Für alle diese Anwendungen kann der nicht geschützte Terminus DNA-Chip verwendet werden.
Verschiedene
Forschungsrichtungen
In der gegenwärtigen Forschung gibt es mindestens zwei große Entwicklungsrichtungen, innerhalb derer DNAChips als Microarrays realisiert werden. Eine Forschungsrichtung wird maßgeblich von der Firma Affymetrix (Santa Clara, USA) bestimmt, die mit - aus der Computerindustrie stammenden - lithografischen Verfahren und einer lichtgerichteten DNA-Synthese Raster aus vielen verschiedenen einzelsträngigen DNA-Molekülen auf Siliziumoberflächen erzeugt. Die auf der Siliziumoberfläche synthetisierten DNA-Sonden sind typischerweise sehr kurz und weniger als 25 Nukleotide lang. Der Rekord liegt bei einer Dichte von circa 30 000 Sonden auf einem quadratischen Träger mit einer Kantenlänge von 1,28 cm. Nach der Hybridisierung mit fluoreszenzmarkiertem DNA-Material leuchten verschiedene Punkte in dem erzeugten Raster auf. Durch die Information darüber, welche DNA-Sequenz durch einen leuchtenden Punkt im Raster repräsentiert wird, lassen sich beispielsweise Mutationen oder genetische Defekte durch An- oder Abwesenheit des leuchtenden Signals eindeutig bestimmen. Die zweite Forschungsrichtung unterscheidet sich vom Affymetrix-Ansatz im wesentlichen dadurch, daß die auf der Oberfläche immobilisierten DNA-Fragmente mit bis zu mehreren tausend Nukleotiden erheblich größer sind. Im Gegensatz zur lichtgerichteten In-situ-Synthese auf der Siliziumoberfläche werden diese Sonden vor der Immobilisierung hergestellt und danach mit hochpräzisen Robotern auf Oberflächen wie Nylon, Glas oder Silizium aufgebracht. Dabei können simultan mehrere 10 000 spezifische DNA-Fragmente parallel auf einer Fläche immobilisiert werden, die dann in einem einzigen Experiment eine Antwort darüber geben, ob und wie stark die korrespondierenden Gene in einem bestimmten Zellzustand exprimiert sind. Dies ist von essentieller Bedeutung für die im Feld der Biotechnologie boomende Forschungsrichtung der Pharmakogenetik. So wird es mit hochdichten DNA-Chips beispielsweise möglich, die Regulation einer Vielzahl von Genen oder aller Gene eines Organismus vor und nach Gabe eines Medikamentes zu untersuchen.
Verwendung komplementärer Techniken
Die zur Zeit etablierten Techniken arbeiten durchaus komplementär. Es ist nicht vorhersehbar, ob sich eine der Technologien in wenigen Jahren durchgesetzt haben wird. In einen vernünftigen biologischen Kontext gestellt, vermögen DNA-Chips signifikante quantitative Informationen über wichtige zelluläre Prozesse zu liefern. In der Forschung werden diese Techniken unter anderem bereits für die Bestimmung der Regulationsfaktoren des Brustkrebsgens BRCA1 und im Bereich der HIV-Diagnostik eingesetzt. Da die in diesen Experimenten erzielten Ergebnisse sehr vielversprechend aussehen, ist die Zulassung der Verfahren für diagnostische Zwecke in den USA beantragt. Holger Eickhoff

Anschrift des Verfassers: Dr. Holger Eickhoff, Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik, Ihnestraße 73, 14195 Berlin, Tel 0 30/84 13 14 05, Fax 84 13 13 80, E-Mail eickhoff@mpimg-berlin-dahlem.mpg.de