Biomedizin : Die Genomfabrik

Rund um die Uhr entziffern Roboter am Sanger-Institut nahe Cambridge Erbgut. Stunde für Stunde spucken sie Abermillionen Buchstaben aus. Genetiker lesen darin die Geschichte des Lebens

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Vollautomatisch. Moderne Sequenziermaschinen wie hier im Sanger-Institut in Hinxton bei Cambridge können in wenigen Tagen...

Es sieht aus, als sei ein riesiges Ufo in der englischen Countryside gelandet. Und tatsächlich beherbergen die Gebäude des Sanger-Instituts in Hinxton, einem kleinen Dorf nahe Cambridge, moderne Spitzentechnik. Denn hier steht eine der größten Sequenzierungsanlagen der Welt, eine Fabrik, die genetisches Wissen produziert.

Tag und Nacht laufen die Maschinen. Unermüdlich lesen sie im Erbgut von Menschen, Tieren und Pflanzen, spucken Stunde für Stunde Millionen und Abermillionen Buchstaben aus.

In der Lobby des Instituts hängt ein riesiges Plakat, einen Meter breit, sechs Meter lang und über und über mit Buchstaben bedeckt, 1,3 Millionen insgesamt. Es ist ein Teil der Gensequenz des menschlichen X-Chromosoms. „Das soll ein Gefühl dafür geben, wie groß unser Erbgut wirklich ist“, sagt Don Powell, der Pressesprecher des Instituts. Um das gesamte menschliche Genom abzubilden, wären 2206 solcher Plakate nötig.

Und lange ging es vor allem um dieses, unser riesiges Genom. Es war das Megaprojekt der 90er Jahre, die Mondlandung der Molekularbiologie: Die Entschlüsselung des Erbguts dauerte zehn Jahre und kostete Milliarden. 29 Prozent der Sequenz steuerte das Sanger-Institut damals bei, mehr als jedes andere Institut.

Der Fortschritt seitdem ist enorm. Würde man das Projekt heute starten, könnten die Sequenzierungszentren der Welt dieselbe Zahl an Buchstaben in einer Viertelstunde auslesen. Allein am Sanger-Institut werden jede Woche 90 Milliarden Buchstaben entziffert.

Dafür stehen fast 15 Millionen Gigabyte Speicherplatz bereit. Eine riesige Glaswand erlaubt den Blick in einen der vier Computerräume. Hier türmen sich Festplatten und Rechner. Kabel verlaufen kreuz und quer. „Im Grunde haben wir 15 000 Festplatten übereinandergestapelt“, erläutert Powell. Damit die wertvollen Daten nicht verloren gehen, werden sie doppelt und dreifach abgespeichert. Fünf Dieselgeneratoren halten die Datenmaschinerie am Laufen.

Aber was bedeuten die ganzen Buchstaben? Als der erste Entwurf des menschlichen Genoms 2000 vorgestellt wurde, sagte Bill Clinton: „Heute lernen wir die Sprache, in der Gott das Leben schuf.“ „Damals dachten viele, es gebe jetzt einen regelrechten Sprung in der Medizin“, sagt Anton Enright, Genetiker am Sanger-Institut. Längst ist die Euphorie der Jahrtausendwende der Ernüchterung gewichen. „Heute wissen wir, dass das Genom viel komplexer ist, als wir dachten“, sagt Enright. „Wir können ohne Ende Buchstaben sammeln, aber wenn wir das Genom verstehen wollen, müssen wir noch viel mehr forschen.“

Dennoch: Manche Geschichte lässt sich auch direkt aus dem Buchstabenwust lesen. Zum Beispiel durch den Vergleich einzelner Genome. Das hofft jedenfalls Chris Tyler-Smith. In Sandalen steht er im Vorlesungssaal des Instituts. Mit seinen langen grauen Haaren, die seine asketischen Wangen verhängen, und seinem Vollbart erinnert der Evolutionsbiologe ausgerechnet an Jesus. Aber die Geschichte, die er in den Genen lesen möchte, ist eine sehr weltliche: Es geht um unsere Vorfahren, ihre sexuellen Vorlieben und unsere eigene Entwicklung.

2006 hatten amerikanische Forscher das menschliche Genom mit dem verschiedener Primaten verglichen. Ihr Ergebnis: Die Vorfahren von Mensch und Schimpanse trennten sich nicht einfach. Eher ging es zu wie nach einer langjährigen Beziehung. Urmensch und Urschimpanse ließen zwar zunächst voneinander. Aber immer wieder kam es zu Sex zwischen den beiden, ehe sie sich vier Millionen Jahre später endgültig auf ihre separaten evolutionären Wege machten.

„Um zu überprüfen, ob das stimmt, benötigen wir das Genom des Gorillas“, sagt Tyler-Smith. Abhilfe soll nun Kamilah schaffen, ein Gorillaweibchen aus dem Zoo in San Diego. Stellvertretend für alle westlichen Flachlandgorillas wird am Sanger-Institut zurzeit ihr Genom analysiert. Die eigentliche Sequenzierung ist bereits abgeschlossen. Jetzt gilt es, die Milliarden kurzer Buchstabenfäden in eine sinnvolle Reihenfolge zu bringen. „Damit sollten wir bis Mitte des Jahres fertig sein“, sagt Tyler-Smith.

Während er versucht, Vorgänge zu erklären, die Millionen Jahre zurückliegen, wollen andere Forscher am Sanger-Institut die Evolution nahezu in Echtzeit beobachten. Simon Harris hat mit Kollegen aus Thailand, Portugal und den USA die Verbreitung einer besonders hartnäckigen Variante des Bakteriums Staphylococcus aureus untersucht. Der Stamm ist gegen fast alle Antibiotika resistent und deswegen den meisten Krankenhäusern ein Graus. Allein in den USA sterben jedes Jahr schätzungsweise 18 000 Menschen an einer Infektion mit dem kugelförmigen Keim.

Harris untersuchte 20 Proben des Bakteriums, die innerhalb von sieben Monaten in einem Krankenhaus in Thailand isoliert wurden. Er sequenzierte jeweils das gesamte Erbgut und verglich die Buchstabenfolgen dann miteinander. So konnte er zeigen, dass keine zwei Infektionen von genetisch identischen Erregern verursacht wurden, und an Hand der Unterschiede den Weg der Infektion verfolgen. Proben, die besonders ähnlich waren, stammten von Patienten, die zur selben Zeit in benachbarten Zimmern erkrankt waren. Zeitlich und räumlich weiter entfernte Proben hatten auch mehr Unterschiede im Genom.

Aber auch auf einer Skala von Jahren ließen sich die Bewegungen des Bakteriums verfolgen. So untersuchte Harris 42 Proben, die zwischen 1982 und 2003 auf verschiedenen Kontinenten isoliert wurden. Der Vergleich legt nahe, dass die resistenten Bakterien in den 60er Jahren in Europa entstanden, als Antibiotika erstmals großflächig eingesetzt wurden, und sich dann über die Welt verbreiteten.

So könnte die Genomsequenzierung bei der Überwachung von Infektionen in Zukunft unabdingbar werden. „Wir können damit beobachten, wie sich ein Erreger ausbreitet: Von Person zu Person, Krankenhaus zu Krankenhaus, Land zu Land“, sagt Stephen Bentley, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.

Studien wie seine sind nur möglich, weil die Arbeitsabläufe bei der Sequenzierung immer einfacher geworden sind. „Früher waren hier allein 80 Angestellte damit beschäftigt, das Erbgut für die Maschinen vorzubereiten“, sagt Powell. Inzwischen benötige man dafür nur noch vier Kollegen. „Fast alles läuft automatisch“, sagt er. Buchstaben produziert das Sanger-Institut also fast von selbst. Die eigentliche Arbeit der Forscher ist es, daraus die Geschichten zu lesen.

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