Chips in vielerlei Variationen

von Cornel Mülhardt

Unser Methoden-Autor Cornel Mülhardt liebt Chips über alles. Letztens hat er sich allerdings auf DNA-Chips verlegt.

Ich liebe ja Kartoffelchips. Deswegen kaufe ich sie nie. Kaum ist die Packung offen, ist sie auch schon leer. Meine liebe Frau unterstützt mich dabei immer tatkräftig, weshalb ich Chips am liebsten esse, wenn sie nicht zuhause ist.

Irgendwie fühle ich mich mit dieser Welt im Einklang, wenn ich mir vorstelle, wie fleißige Frauenhände heroisch wind-und-wettergegerbte naturidentische Kartoffeln in dünne Scheiben hobeln und die Frauen, die hinter diesen Händen stehen, mit liebevollem Blick überwachen, wie sich die zarten Scheibchen in der infernalischen Hitze des Fritierfettes krümmen und dabei jedes seine eigene, unverwechselbare Form erlangt. Dann schweißen sie das wundervolle Produkt ihrer Schaffenskraft in atomkriegsichere Aromaschutztüten, welche die knackige Frische ihres Inhalts zuverlässig bewahren, bis dass ich in einem Anfall animalischer Fresslust die Packung zerfetze und die Lustscheiben zwischen meinen Zähnen voller Genuss krachend zermalme.

Käse, Zwiebel, schlechter Atem

So war zumindest die Situation, bis die Nahrungsmittelindustrie kam und beschloss, dass der klassische Chip nicht ausreichend hightech ist. Seither quellen die Supermarktregale über von neuen Kreationen in maschinengerechter Einheitsform, vollgepackt mit Geschmacksverstärkern und der gesamten Aromapalette, welche die Geschmacksstoffindustrie zu bieten hat, und versehen mit dollen Namen, die seltsamerweise alle ziemlich englisch tönen, weil das heute so sein muss. "cheese & onion" verkörpert halt den Duft der weiten Welt, während "Käse & Zwiebel" mehr an den schlechten Atem erinnert, über den sich die Freundin nach dem letzten Döner-Schmaus den ganzen Abend über so bitterlich beschwert hat.

Seither ist meine Lust am Kartoffelchip erlahmt und proportional dazu die Begeisterung für den DNA-Chip gestiegen. Der DNA-Chip, die Hightech-Antwort der Molekularbiologie auf die Nahrungsmittelindustrie, ebenfalls knusprig, aber viel raffinierter, ausgefeilter und unerschwinglicher als die eh schon sündhaft teuren naturidentischen Stärkesalzfettlinge.

Weiß eigentlich jemand, warum die Dinger DNA-Chips heißen? Ich war zu faul, dieser Frage auf den Grund zu gehen, wäre aber trotzdem dankbar für eine Aufklärung. Vielleicht war's in Anlehnung an den Computerchip, der ja bei Otto Normalverbraucher zum Synonym für Fortschritt und Wohlstand geworden ist. Der Begriff hat jedenfalls so gut eingeschlagen, dass man ihn sogar in der Fachliteratur gerne verwendet, wenngleich das Objekt der Begierde offiziell als "microarray" bezeichnet wird.

Schön und gut, sagen Sie nun, DNA-Chip hin, Microarray her: Was ist denn das genau? "Array" ist englisch und bedeutet so viel wie eine (mehr oder weniger) geordnete Menge, eine Anordnung also, in diesem Fall von verschiedenen DNAs. Höchstwahrscheinlich sind Ihnen DNA-Arrays schon längst bekannt, ohne dass Sie je von diesem Begriff gehört haben. Der berühmte Southern Blot basiert nämlich darauf, dass man ein Gemisch von DNA-Fragmenten mittels Elektrophorese der Größe nach trennt (also ordnet), dann auf einen Träger transferiert und diesen anschließend mit einer Sonde hybridisiert, um nachzuweisen, an welcher Stelle des Trägers das gesuchte DNA-Fragment lokalisiert ist. Aus der Position und der Stärke des Signals kann man dann verschiedene Schlüsse ziehen, beispielsweise Art und Menge des Fragments. Beim Kartoffelchip besteht das Trägermaterial aus Kartoffelstärke, beim Southern Blot dagegen meist aus einer Zellulose- oder Nylonmembran.

Arrays: DNAs in Reih und Glied

Auch das Screenen von Genbanken funktioniert weitgehend nach dem gleichen Prinzip, wobei einem dort das Signal erlaubt, den Klon seiner Träume zu lokalisieren. Der Array ist nichts weiter als eine Fortentwicklung dieses Gedankens. Statt dass man seine Bakterien oder Phagen zufällig auf Agarplatten ausplattierte, hat man schon vor Jahren begonnen, mit Hilfe von Robotern die Klone aus solchen Banken einzeln zu züchten und jeden auf eine definierte Position einer Membran aufzutragen – der Macroarray war geboren. Der Vorteil ist erheblich, weil im Gegensatz zum klassischen Bankenscreening nun eine einzige Hybridisierung ausreicht, um aus den Koordinaten des Signals direkt den betreffenden Klon zu identifizieren. Außerdem erlaubt das Vorgehen eine Arbeitsteilung, weil nun Sie die Hybridisierung durchführen können, obwohl die Originalklone bei mir lagern. Sie rufen dann bei mir an und sagen mir die Koordinaten Ihres Signals, und ich schicke Ihnen den betreffenden Klon und eine Rechnung.

Als Nächstes versuchte man, die Dimensionen kleiner zu bekommen. Sie kennen vermutlich das Problem, wenn Sie jemals versucht haben, einen Dot Blot herzustellen, also wenige Mikroliter DNA auf eine Membran aufzutragen, um diese später zu hybridisieren: Der Tropfen verläuft. Er wird viel größer, als Ihnen lieb ist. Bei einem Durchmesser von 2 mm pro Auftrag bekommen Sie auf einer Membran von 10x10 cm Größe gerade mal 400-1000 Klone unter – stellen Sie sich die Zahl der Membranen vor, wenn Sie 10 000 bis 50 000 unabhängige Klone oder DNAs screenen wollen! Roboter kriegen das zwar etwas gekonnter hin, das Grundproblem allerdings bleibt, kleiner als 300 µm werden die Flecken nicht.

Die Schwierigkeit liegt in der sehr porösen Membran, weshalb man zwecks Miniaturisierung auf feste Trägermaterialien wie beschichtetes Glas oder Polypropylen umstieg. Das aufgetragene Material diffundiert dort weniger, zudem erleichtert die glatte Oberfläche auch die spätere Hybridisierung erheblich. Auf diese Weise lassen sich zur Zeit über 10.000 verschiedene DNAs auf einem Array von der Größe eines Objektträgers auftragen. Die Flüssigkeitsmengen sind dabei natürlich etwas geringer, als wenn Sie von Hand pipettieren, nämlich in der Größenordnung von 0,25 bis 30 nl!


Eine Viertelmillion Chips

Es geht allerdings noch doller. Eine Einschränkung dieser Methode ist nämlich, dass Sie die DNA, die Sie auftragen möchten, erst mal haben müssen. Bei 10.000 DNAs macht das 10.000 Tubes, die Sie irgendwo herbekommen müssen und die Ihnen anschließend in irgendeinem Gefrierschrank rumfliegen – nicht sehr praktisch. Ausgesprochen unflexibel, könnte man sogar sagen, weil nur große Institutionen oder Firmen auf solche Größenordnungen kommen können. Statt cDNAs kann man natürlich auch Oligonucleotide verwenden, das macht einen unabhängig von natürlichen DNA-Templates, löst aber nicht wirklich das Problem der großen Zahl an Lösungen, mit denen man es zu tun hat. Schlaue Menschen haben daher die Halbleiterherstellung zum Vorbild genommen, um mithilfe sogenannter photolithografischer Techniken Oligonukleotide direkt auf dem Träger zu synthetisieren. Die Dimensionen, in denen sich das Ganze abspielt, sind winzig, ein solcher Fleck mit einem bestimmten Oligo nimmt gerade noch 10 µm2 ein, was es erlaubt, auf einem Träger etwa 300 000 verschiedene Oligos zu synthetisieren, weshalb solche Hightech-Teile auch als "high density synthetic oligonucleotide arrays" bezeichnet werden.

Der Haken an der Density

Natürlich hat die Sache einen kleinen Haken. Weil die Oligos mit einer Länge von 20-25 Nucleotiden wesentlich kürzer sind als die cDNAs, die man üblicherweise zum Dotten verwendet, ist die Gefahr von Fehlhybridisierungen erheblich größer, ein Problem, das man löst, indem man für jedes Gen, das man untersuchen möchte, etwa 16-20 verschiedene spezifische Oligos synthetisiert, denen man dann zur Hybridisierungskontrolle jeweils noch einen "mismatch oligo" zur Seite stellt – und ganz schnell werden so aus 300.000 Oligos gerade mal 8-10.000 Gene, die man mit so einem Microarray untersuchen kann. An einer weiteren Miniaturisierung wird gearbeitet, aber Wunder sind in der Hinsicht wohl nicht mehr zu erwarten. Der Hauptvorteil der high density arrays liegt also weniger in der großen Zahl an "Flecken", sondern in der Flexibilität der Methode, die es erlaubt, Microarrays am Reißbrett zu entwerfen und umzusetzen – so wie die modernen Kartoffelchips eben.

Soviel zum Einstieg ins Thema Microarrays. Sollte Sie die Lust gepackt haben, mit Microarrays rumzuspielen, dann fangen Sie am besten schon mal damit an, sich einen Sponsor zu suchen, die Angelegenheit ist nämlich (zumindest zur Zeit noch) haarsträubend teuer, vor allem angesichts der doch noch recht fragwürdigen Ergebnisse, die man damit mitunter erhält. Doch davon später mehr.

P.S.: Procter & Gamble (genau, der Waschmittelhersteller) hat übrigens eine neue Sorte auf den Markt gebracht, die schmeckt nach Barbecue. Ich sag nur: Suuuper! Post bitte an: cornel.muelhardt@web.de




Letzte Änderungen: 08.09.2004