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Metagenomik Das Genlabor in der Hosentasche

„Angeklagter, Sie streiten also ab, jemals mit Ihrem Auto in die Gegend von Vorpommern gefahren zu sein, wo der Ihnen zur Last gelegte Mord passiert ist? Wie erklären Sie sich dann, dass sich auf der Windschutzscheibe Ihres Fahrzeugs exakt die spezifische Genpopulation befindet, die nur in dieser Region vorkommen kann?“

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So könnte in wenigen Jahren die Beweisführung lauten, wenn die Metagenomik auch in der Kriminalistik angewendet wird. Dabei wird aus einer Umweltprobe das gesamte genetische Material von Lebe­wesen extrahiert. Deren Methoden ermöglichen die Identifizierung von Mikroorganismen und Viren in einer bestimmten Lebensgemeinschaft oder eines Biotops, unabhängig von ihrer Kultivierbarkeit. Denn mehr als 99 Prozent aller existierenden Mikroorganismen sind nicht kultivierbar und daher mit den herkömmlichen mikrobiellen Verfahren auch nicht identifizierbar.

Bereits 2004 demonstrierte Craig Venter, Gewinner des Human Genome Projects, die neuen Möglichkeiten mit seiner Schrotschussmethode („whole shotgun sequencing strategy“), als er vor der Küste Floridas den mikrobiellen DNA-Rückstand von mehreren 100 l Meerwasser analysierte. Er fand 1,2 Millionen Gene, darunter 70.000 komplett neue, und konnte sogar 148 neuartige bakterielle Stämme definieren. Nebenbei entdeckte er mehr als 800 bislang unbekannte Photozeptorgene. Mit der Eingabe von 1,6 Milliarden Basenpaaren verdoppelte er mit einem Schlag den Umfang der öffentlichen Proteinbank.

Einsatz der Metagenomik im Krankenhaus

Die Metagenomik findet ihren Einzug zunehmend auch im Krankenhaus, z.B. bei der Diagnose von Infektionskrankheiten. Bei Hirnhaut­entzündungen, Atemwegssyndromen oder fieberhaften Erkrankungen muss der Arzt viele Einzeltest anordnen, um differentialdiagnostisch den Erreger zu identifizieren. Oft dauert es Wochen bis zum Endergebnis, während eine metagenomische Sequenzierung innerhalb eines Tages fast alle Krankheitserreger, einschließlich Viren, Bakterien, Pilze und Parasiten, mit einem einzigen Test erkennt.

Zur Behandlung von Atemwegs­erkrankungen werden in der ambulanten Versorgung meistens Breitbandantibiotika eingesetzt, da man nicht tagelang auf die Ergebnisse der mikrobiologischen Tests warten kann. Der „blinde“ Einsatz führt jedoch zu Resistenzen und Darminfektionen. Eine metagenomische Analyse des Sputums kann kurzfristig alle Erreger bestimmen, inklusive der Genveränderungen, die für Resistenzen verantwortlich sind. Die störenden menschlichen Zellen mit ihrer DNA lassen sich durch eine chemische Vorbehandlung beseitigen. Der Nachweis von Genen bedeutet aber nicht, dass sie von noch lebenden Bakterien stammen und dass diese tatsächlich eingesetzt werden, um Antibiotika abzuwehren.

Die dritte Generation der Sequenzierer ermöglicht heute mittels Nanoporen in einem Gerät von Hosentaschenformat eine Erkennung von Erregern bei akuten Infektionskrankheiten innerhalb sechs Stunden. So lassen sich auch Virenepidemien fernüberwachen.

Kontakt zum Autor:
Manfred Kindler ist KKC-Vorsitzender, Kontakt: m.kindler@kkc.info

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