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Fishing for Mutations: »Crispr-Chip« erkennt Mutationen in Minuten

Forscher haben ein Gerät entwickelt, das innerhalb von Minuten genetische Mutationen erkennt. Dafür haben sie die Crispr/Cas9-Genschere mit einem elektronischen Transistor aus Graphen kombiniert. Der Crispr-Chip könnte u.a. zur schnellen Diagnose genetischer Krankheiten eingesetzt werden.

Die Technik basiert auf einer Kombination der Crispr-Cas9-Technologie mit Elektronik. Bildquelle: © KGI

Die Technik basiert auf einer Kombination der Crispr-Cas9-Technologie mit Elektronik.

Anders als herkömmliche Verfahren ist beim Crispr-Chip ein entscheidender Schritt nicht mehr nötig: die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Sie dient dazu, die entnommene DNA zu verfältigen und ermöglicht entsprechende DNA-Tests erst überhaupt. Dieser aufwendige Schritt ist beim neuen Verfahren nicht mehr nötig, wodurch er direkt in Arztpraxen oder im Außendienst zum Einsatz kommen kann. »Man muss einer Person dazu nur Zellen entnehmen, die DNA extrahieren und sie dann auf den Chip aufbringen«, erklärt Kiana Aran vom Keck Graduate Institute in Claremont (USA). In kürzester Zeit ließe sich dann feststellen, ob eine bestimmte DNA-Sequenz vorhanden ist oder nicht.

Suchen, finden, aber nicht schneiden

Das Crispr-Cas9-System ist eigentlich dafür bekannt, DNA an definierten Stellen präzise schneiden zu können. Durch diese Scheren-Funktion bietet sie Forschern beispiellose Möglichkeiten zur Bearbeitung von Genen. Aran und ihre Kollegen nutzen für ihre Anwendung allerdings nicht die Schneide-, sondern nur die Erkennungsfunktion des Systems.

Damit das Cas9-Protein jedoch Gene präzise schneiden und einfügen kann, muss es zunächst die genauen Stellen in der DNA finden, die es schneiden muss. Dazu statten es die Forscher zunächst mit einem Ausschnitt aus der »guide RNA« aus, einem kleinen Stück RNA, dessen Basen komplementär zur interessierenden DNA-Sequenz sind. Das Protein öffnet zunächst die doppelsträngige DNA und scannt diese durch, bis es die Sequenz findet, die zur Führungs-RNA passt, und rastet dann ein.

© UC Berkeley video by Roxanne Makasdjian and Stephen McNally
UC Berkeley video by Roxanne Makasdjian and Stephen McNally

Normalerweise geht es anschließend mit der Schneidefunkion des Crispr-Cas9-Systems weiter. Doch für ihre Technik nutzen die Forscher ein deaktiviertes Cas9-Protein, das zwar den bestimmten Ort auf der DNA finden kann, diesen aber nicht schneidet und banden es an Transistoren aus Graphen an. Wenn der Crispr-Komplex die Stelle auf der DNA findet, die er anstrebt, bindet er an ihn und löst eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Graphens aus, was wiederum die elektrischen Eigenschaften des Transistors verändert. Der Effekt ist stark genug, dass er durch das Gerät erfasst und angezeigt werden kann. Graphen, das aus einer einzigen Atomschicht Kohlenstoff besteht, ist so elektrisch empfindlich, dass es einen »DNA-Sequenz-Hit« in einer Vollgenomprobe ohne PCR-Amplifikation nachweisen kann.

Schneller und günstiger als PCR

Um das Potenzial ihres Crispr-Chips zu demonstrieren, verwendeten die Wissenschaftler das Gerät, um zwei häufige genetische Mutationen in Blutproben von Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) zu erkennen. Irina Conboy, Co-Autorin des Papiers, sagt, dass der Chip ein besonders nützliches Gerät für das DMD-Screening sein könnte, da die schwere Muskelschwund-Krankheit durch Mutationen im gesamten massiven Dystrophin-Gen - einem der längsten im menschlichen Genom - verursacht wird und das Erkennen von Mutationen mit Hilfe von PCR-basierten Gentests kostspielig und zeitaufwendig sein kann. Mit einem digitalen Gerät könnte man hingegen früh und vergleichsweise einfach einen Test durchführen. »Wenn eine Mutation gefunden wird, könnte die Therapie dann früh beginnen, bevor sich die Krankheit tatsächlich entwickelt hat«, so Conboy.

Bis das Verfahren als ein praktisch einsetzbares Diagnoseinstrumente zur Verfügung steht, sind noch ein paar Jahre Entwicklungsarbeit nötig, sagen die Forscher. Aber bereits jetzt könnte das Prinzip in der Forschung zum Einsatz kommen – beispielsweise um zu überprüfen, ob Führungs-RNA-Sequenzen im Rahmen von Gen-Editing-Verfahren korrekt entworfen wurden. Generell sehen die Forscher in ihrer neuen Technik großes Potenzial in verschiedenen Bereichen. »Die Kombination moderner Nanoelektronik mit moderner Biotechnologie kann Türen öffnen, die Zugang zu neuen Informationen gewähren«, ist Aran überzeugt. (me)

Originalpublikation

Detection of unamplified target genes via CRISPR–Cas9 immobilized on a graphene field-effect transistor

www.nature.com

 

Quellen

[1] M. Vieweg: „CRISPR-Chip“ erkennt Mutationen in Minuten (25.03.2019), https://www.wissenschaft.de/gesundheit-medizin/crispr-chip-erkennt-mutationen-in-minuten/ (Stand: 26.03.2019)