Eine Ankündigung von Oxford Nanopore hatte vor ein paar Monaten Genomiker und Bioinformatiker in Aufregung versetzt. Die britische Firma hatte ausgewählten Forschern angeboten, einen neuartigen Mini-DNA-Sequenzierer im Rahmen eines “Early Access“-Programms zu testen. Das MinION genannte Kästchen beflügelt die Fantasie, denn das Gerät ist winzig klein, billig und kann zudem innerhalb kürzester Zeit komplette Genome analysieren. Der Winzling funktioniert nach einem gänzlich neuen Prinzip, mit Ionenkanälen (den „Nanoporen“) als physikalische DNA-Lesegeräte.
Durch diese Poren wird ein DNA-Strang hindurchgeschoben. Da die vier DNA-Bausteine unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften haben, verändert sich je nach Sequenz auch die Durchlässigkeit des Ionenkanals für geladene Teilchen. Den Ionen-Fluss wiederum kann man messen und, so die mutige Idee, daraus die DNA-Sequenz rekonstruieren (Laborjournal hatte an dieser Stelle schon einmal darüber berichtet).
Hop oder Flop?
Lange Zeit hatte Oxford Nanopore kaum Daten herausgerückt, die es den Forschern erlaubt hätten, die Funktionstüchtigkeit der MinION-Prototypen einzuschätzen. Aber seit etwa acht Monaten haben die Teilnehmer am „Early Access“- Programm das Gerät nun in den Händen.
Erste Daten tauchen auf. Kürzlich erschien beispielsweise eine Arbeit zu humanen Haplotyp-Genotypisierungen im Journal F1000 Research (Ammar et al.). Die Autoren zeigen darin exemplarisch, dass der MinION für klinische und humangenetische Fragestellungen grundsätzlich brauchbar ist. Allerdings arbeiten die fleißigen Poren bisher noch ausgesprochen fehlerhaft.
Wohin also geht die Reise für das Kästchen aus Oxford? Hop oder Flop? Kurz gesagt: Ja, man kann damit sequenzieren; und ja, die Längen der am Stück abgelesenen Sequenzabschnitte („Reads“) sind beeindruckend. 8000 Basen gibt der Hersteller als guten Mittelwert an, es ist aber noch von wesentlich längeren Reads zu hören. Ist das lange versprochene „3rd Generation Sequencing“ damit in der Realität angekommen? Noch nicht so richtig, meint beispielsweise Nico van Gessel, Bioinformatiker und Mitarbeiter im Freiburger Pflanzen-Biotech-Labor von Ralf Reski:
„Was kürzlich in verschiedenen Gesprächen auf einer Genomkonferenz herauskam, ist folgender Eindruck: Momentan befindet sich das Projekt in einer öffentlichen Alpha-Phase. Das heißt, weder die Labor-Protokolle zur Probengenerierung, noch die Software zur Auswertung der Rohdaten sind in einem für den Endanwender brauchbaren Zustand. Wenn man ehrlich ist, macht Oxford Nanopore daraus aber auch keinen Hehl.“
Die Zwerge machen noch zu viele Fehler
Ein, wenn nicht das Haupt-Problem scheint die beängstigende Fehlerrate zu sein. Die Angaben schwanken, aber einigen Quellen zufolge wirft der MinION im Moment für ca. 30 % der sequenzierten DNA-Positionen fehlerhafte Daten aus (siehe z.B. hier). Das muss besser werden, sonst dürfte sich kaum ein Markt für die Poren-Zwerge finden.
Andererseits: Weil die Prozedur so schnell ist, kann man die Abdeckung („Coverage“) in die Höhe treiben (die Abdeckung ist ein Maß dafür, wie viele Replikate einer Sequenz im Schnitt in die Daten einfließen). Auch wenn die einzelnen Reads Fehler haben, ergibt sich irgendwann ein stabiler Konsens, wenn man immer wieder dieselben DNA-Abschnitte abliest. Falsche „Base Calls“ auf diese Weise zu eliminieren gelingt allerdings nur, wenn die Sequenzierfehler zufällig verteilt sind. Eine höhere Abdeckung bringt aber wenig, wenn die Poren systematisch immer an den gleichen Sequenzmotiven scheitern.
In der (im Moment als Pre-Print zu wertenden, weil noch nicht begutachteten) F1000-Studie von Ammar et al. gelang es offenbar, brauchbare Genotypiserungsdaten zu erzeugen, durch ca. 1000-fache Abdeckung der untersuchten Gene. Die Qualität der „Base Calls“ sei dann vergleichbar mit den derzeit gängigen Methoden, schreiben die Autoren.
Trotzdem hat Oxford Nanopore noch Hausaufgaben vor sich, um aus dem spannenden Konzept ein marktreifes Produkt zu machen. Eine konkrete Anwendung kann man sich aber jetzt schon vorstellen. Van Gessel: „Die tatsächliche 'Revolution' sind augenscheinlich die enormen, in begrenztem Maße nur von der Sequenzierdauer abhängigen Read-Längen. Die Generierung solcher Reads stellt eine interessante und vielversprechende Komponente dar, in Ergänzung zu den üblichen NGS-Verfahren.“
Lange Sequenzen als Klammer
Denn die derzeit gängigen (etwas irreführend immer noch „Next Generation" Sequencing genannten) Verfahren werfen vergleichsweise kurze Schnipsel aus. Trotz ausgefeilter Bioinformatik bleiben oft frustrierende Lücken zwischen Sequenzabschnitten, wenn deren Enden nicht überlappen. Der MinION liest nun zwar fehlerhafte, dafür aber ausgesprochen lange Sequenzen. Diese könnten als eine Art Klammer dabei helfen, solche Lücken zu schließen.
Noch ist der Eindruck also gemischt: Der Schönheit des Prinzips steht eine im Moment noch zu hohe Fehlerrate in der Praxis gegenüber. Und die Faszination der Miniaturisierung übertüncht nicht die Frage, warum Sequenziergeräte eigentlich winzig klein sein müssen. Gibt es eine echte Marktnische für tragbare Sequenzierer?
Zum Einsatz könnte der MinION zum Beispiel dann kommen, wenn Proben weit abseits existierender Sequenzier-Infrastruktur untersucht werden sollen, oder wenn es vor Ort besonders schnell gehen muss.
Und dafür scheint der MinION im Prinzip gut geeignet zu sein, nicht nur wegen der handlichen Größe des Sequenzierkästchens selbst, wie van Gessel erklärt: „Die Idee, den Sequenzierer 'ins Feld' zu bringen, ist sicher auch nicht ganz neu, aber mit dem MinION ohne Zweifel einen Schritt weiter. Nicht nur, dass der Formfaktor einen einfachen Transport und Betrieb ermöglicht. Vor allem die Verlagerung der rechenintensiven Schritte in die Cloud des Herstellers tragen dazu bei.“
Auch Nick Loman, Genetiker an der Universität Birmingham und ein erklärter MinION-Fanboy, sieht darin das Potential dieser Technologie (zitiert im Original hier):
„Man kann sich vorstellen, so einen Sequenzierer in einen Koffer zu werfen und ihn nach Sierra Leone mitzunehmen, um den Ebola-Ausbruch zu studieren“, meint Loman. Und weiter: „Es liegt an uns, den Forschern, herauszufinden, welche coolen Sachen wir damit machen können.“
Hans Zauner
Abb.: Oxford Nanopore