Methoden zur Sequenzierung

Wie das Lesen erfunden wurde

Ein Mann, zwei Nobelpreise: Dem britischen Forscher Frederick Sanger verdanken wir unser molekularbiologisches Alphabet. Seine Erkenntnisse ebneten den Weg, die Geheimnisse des Lebens biochemisch zu verstehen.

Im Jahre 1953 konnte Sanger den Aufbau des Hormons Insulin aufklären. Diese Arbeit war ein Meilenstein in der biochemischen Forschung, für den Sanger 1958 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Denn sie machte klar, dass Proteine chemische Substanzen sind, deren Struktur durch die Abfolge ihrer Bausteine, der Aminosäuren, eindeutig festgelegt ist. Nun konnte man untersuchen, wie Proteine eigentlich arbeiten – jene Substanzen also, die eine Zelle erst lebendig machen. Sanger verwendete eine aufwändige chemische Methode, bei der er jeden Baustein einzeln abspaltete und analysierte. Er brauchte dafür etwa 100 g reines Insulin, für das Tonnen von Bauchspeicheldrüsen aus Tieren als Ausgangsmaterial dienten.

Doch bald war klar, dass dieses erste Alphabet – die 20 Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind – nicht ausreicht. Zwar begann man zu verstehen, wie Proteine arbeiten. Aber man wusste nicht, warum und wann sie in der Zelle gebildet wurden. Diese Information steckt im Erbgut, in den Genen, welche die Bauanleitung der Proteine darstellen.

Mitte der siebziger Jahre entwickelte wiederum Frederick Sanger eine automatische Methode, um die Reihenfolge der Bausteine im Erbgut zu bestimmen. Weil diese Arbeit ebenso bahnbrechend war wie die erste, erhielt Sanger dafür im Jahre 1980 ein zweites Mal den Chemie-Nobelpreis. In der Geschichte der Nobelstiftung war das der einzige Fall, dass ein Wissenschaftler den begehrten Preis zwei Mal im selben Fach erhielt.

Um Sangers Verfahren zu verstehen, muss man sich den Aufbau der DNA vor Augen halten. Das Erbmaterial liegt in der Zelle in Form eines doppelten Stranges vor. Jeder Strang besteht aus einer langen Kette von vier Bausteinen, den Nukleotiden. Wenn sich eine Zelle teilt, müssen identische Kopien für die Tochterzellen angefertigt werden. Dabei werden die zwei Stränge getrennt und dienen jeweils als Vorlage, um einzelne Nukleotidbausteine zu einem neuen Strang zusammen zu fügen. Sangers Idee war es, in dieser Kopiermaschinerie außer gewöhnlichen Nukleotiden auch solche bereitzustellen, bei denen der Kopiervorgang abbricht. Sie werden sozusagen als Schlusslichter an Stelle der richtigen Bausteine eingebaut. Außerdem sind sie sichtbar, weil sie eine Fluoreszenz-Farbmarkierung tragen – und zwar eine von vier Farben je nach der Art des Bausteins.

In Sangers Kopiermaschine entstehen also DNA-Stücke von unterschiedlicher Länge, die jeweils an ihrem Ende farbig markiert sind. Diese Abschnitte werden in so genannten Gelen nach ihrer Größe getrennt. Anschließend fährt ein Laser-Scanner über das Gel, erfasst die Farben und damit den letzten Baustein des Abschnittes. Der gesamte Vorgang, also das Kopieren, die Auftrennung und das Lesen des Ergebnisses, dauern in einem automatischen Gerät wenige Stunden für viele tausend Bausteine. Diese Technik wird als Sequenzierung der DNA bezeichnet.

Das war also das zweite Alphabet, das Sanger der Molekularbiologie bescherte: Ein schier endloser Text aus den Buchstaben A, C, G, und T – den Basen der DNA, aus denen unser Erbgut aufgebaut ist. 1983 entwickelte dann der Amerikaner Kary Mullis mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ein Verfahren, mit dem sich die DNA praktisch beliebig vervielfältigen lässt – der systematischen Analyse des Bauplans des Lebens stand nun nichts mehr im Wege.