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Donnerstag, 14.12.2017
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Minutenschnelle DNA-Authentifizierung

Software kann Personen in Rekordzeit anhand von Genschnipseln identifizieren

Genabgleich im Turboverfahren: Forscher haben eine Software entwickelt, die DNA-Proben in Minutenschnelle einer bestimmten Person zuordnen kann. Der Trick: Anstatt komplette Erbgutstränge zu analysieren gleicht das Programm lediglich einige charakteristische Varianten ab. Auf diese Weise findet es innerhalb von nur drei Minuten zuverlässig die entsprechende Übereinstimmung in einer Gendatenbank. Praktisch auch: Die Methode ist vergleichsweise günstig - und alles, was man dafür braucht, passt in eine Handtasche.
Unser Genom besteht aus Milliarden von Buchstaben - doch es genügen nur wenige Schnipsel davon, um uns zweifelsfrei zu identifizieren.

Unser Genom besteht aus Milliarden von Buchstaben - doch es genügen nur wenige Schnipsel davon, um uns zweifelsfrei zu identifizieren.

Der genetische Code unseres Lebens umfasst Milliarden von Buchstaben und würde ausgedruckt einige Bücher füllen. Diese Bücher wären für jedes Individuum einzigartig. Denn auf dieser Welt gleicht kein DNA-Profil dem anderen - mit Ausnahme von eineiigen Zwillingen. Ein Blick ins Genom eignet sich daher zur eindeutigen Identifizierung von Personen. Diese Tatsache wird heute etwa in der Forensik zur Überführung von Tätern genutzt.

Auch in der medizinischen Forschung ist ein DNA-Vergleich mitunter sinnvoll - zum Beispiel, um sicherzustellen, dass Gewebeproben von Studienteilnehmern nicht vertauscht oder Zelllinien nicht verunreinigt wurden. Bisher sind solche Tests jedoch noch relativ teuer und dauern lange. Eine Lösung für dieses Problem haben sich nun Wissenschaftler um Sophie Zaaijer vom New York Genome Center in New York City einfallen lassen.

Wie in "Gattaca"


Ihre Entwicklung soll eine präzise Identifizierung via DNA in Minutenschnelle möglich machen. Ganz so wie in der Welt des Science-Fiction-Streifens "Gattaca", wo sich Konzernmitarbeiter tagtäglich mittels Genabgleich authentifizieren müssen. Die Grundlage für die von den Forschern konzipierte Methode bildet eine Software, die auf einem "Lab-on-a-Chip" namens "Minion" läuft.


Mit diesem kostengünstigen, tragbaren Gerät von der Größe einer Kreditkarte lässt sich DNA an Ort und Stelle sequenzieren. Bisher nutzten Wissenschaftler es vor allem, um Bakterien und Viren zu untersuchen. Denn mit menschlichen Zellen und deren Milliarden von Nukleotiden war das Instrument schnell überfordert, die Fehlerrate hoch.

Das "Lab-on-a-Chip" und alle für die Vorbereitung der Proben benötigten Materialien passen in eine  Handtasche.

Das "Lab-on-a-Chip" und alle für die Vorbereitung der Proben benötigten Materialien passen in eine Handtasche.

In drei Minuten zum Ziel


Die neue Software ändert das nun jedoch. Der Trick: Das Programm analysiert statt kompletter DNA-Stränge lediglich bestimmte individuelle Varianten des Erbguts - Nukleotide, die sich von Person zu Person unterscheiden und uns einzigartig machen. Mithilfe eines speziellen Algorithmus gleicht das Programm diese Kombination von Varianten nach und nach über eine Datenbank mit korrespondierenden Varianten in anderen genetischen Profilen ab.

Auf diese Weise kommt das System erstaunlich schnell zum Ziel, wie erste Praxistests zeigten. Demnach reicht schon der Abgleich mit 60 bis 300 Genvarianten, um die Identität eines Individuums zweifelsfrei zu validieren. Dieser Prozess dauert nur rund drei Minuten, wie das Team berichtet.

Wenige Merkmale ergeben das Bild


Zaaijer vergleicht die Funktionsweise der Software mit einer erstaunlichen Fähigkeit unseres Gehirns: Unserem Denkorgan genügen oft schon wenige charakteristische Merkmale, um beispielsweise auf einem abstrakten Gemälde ein Tier wie einen Vogel auszumachen. "Mit unserer Methode muss nur wenig DNA abgelesen werden, um eine Übereinstimmung mit einem in einer Datenbank hinterlegten Genprofil zu finden", sagt die Wissenschaftlerin. Das Programm erkennt Personen demnach anhand von einigen wenigen individuellen Eigenschaften.

Die möglichen Anwendungsszenarien für diese Technik sind vielfältig: sei es die schnelle und zuverlässige Identifizierung von Opfern bei Massenkatastrophen oder die Tatortanalyse. Für am vielversprechendsten halten die Forscher zunächst jedoch einen Einsatz in der experimentellen Forschung. In diesem Bereich kommt es ihnen zufolge oft zu kostspieligen Fehlern, wenn Zelllinien kontaminiert wurden.

Nutzen für die Zellforschung


Wird die Verunreinigung nicht erkannt, arbeiten Wissenschaftler mitunter umsonst an ihren Experimenten - und produzieren verfälschte Ergebnisse. Im Test mit Zelllinien für Krebsexperimente zeigten Zaaijer und ihre Kollegen: Ist eine Probe zu stark verunreinigt, erkennt die Software sie nicht mehr als übereinstimmend mit ihrem Gegenpart in einer Datenbank an.

"Für den richtigen Preis würde jedes Labor diese Methode verwenden", ist Neville Sanjana vom New York Genome Center überzeugt, der selbst nicht an der Studie beteiligt war. "Niemand will Zeit und Ressourcen verschwenden und mit den falschen Zellen arbeiten", schließt er. (eLife, 2017; doi: 10.7554/eLife.27798)
(Columbia University School of Engineering and Applied Science, 05.12.2017 - DAL)
 
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