Liegt eine genetisch bedingte Erkrankung vor? Bisher lässt sich dies nur durch vergleichsweise umständliche Tests klären. Doch das könnte sich bald ändern: Forscher haben ein handliches Gerät geschaffen, das innerhalb weniger Minuten bestimmte genetische Mutationen erkennen kann. Möglich ist dies durch eine raffinierte Kombination der berühmten CRISPR-Cas9-Technologie mit Elektronik, die aus einem Graphen-Transistor besteht. Der „CRISPR-Chip“ kann unter anderem zur schnellen Diagnose genetischer Erkrankungen wie der Duchenne-Muskeldystrophie dienen, berichten die Entwickler.
Manche Menschen werden mit einem Problem geboren: Gene in ihrem Erbgut tragen spezielle Mutationen, die dazu führen, dass die jeweiligen Erbanlagen ihre Funktion nicht korrekt erfüllen können. Bei manchen dieser genetisch bedingten Erkrankungen zeigen sich die Symptome nicht von Anfang an, sondern entwickeln sich. In diesen Fällen wäre ein möglichst früher Beginn der Therapie ideal. Doch in der Regel werden genetische Tests erst dann durchgeführt, wenn bereits die ersten Symptome einen Verdacht erwecken. Ein Grund dafür ist, dass die Nachweisverfahren bisher vergleichsweise umständlich sind: Probematerial muss für die Tests in spezialisierte Labore geschickt werden. Ein besonders aufwendiger Schritt besteht dort darin, die DNA erst einmal massenhaft zu vervielfältigen – sie wird durch das Verfahren der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) amplifiziert, um die Tests zu ermöglichen.
Neue Diagnoseverfahren sind gefragt
Genau dieser Schritt ist bei der neuen Technologie nicht mehr nötig und so lässt sie sich in ein kleines Gerät integrieren, das eines Tages Schnelltests etwa in Arztpraxen ermöglichen könnte. “Man muss einer Person dazu nur Zellen entnehmen, die DNA extrahieren und sie dann auf den CRISPR-Chip aufbringen. In nur kurzer Zeit lässt sich dann feststellen, ob eine bestimmte DNA-Sequenz vorhanden ist oder nicht. Dieser Ansatz könnte somit möglicherweise zu einem Vor-Ort-Nachweisverfahren führen”, sagt Co-Autorin Kiana Aran vom Keck Graduate Institute in Claremont (USA).
Wie sie und ihre Kollegen berichten, bildet die CRISPR-Cas9-Technologie eine der beiden Komponenten ihres Systems. Sie ist für die Fähigkeit bekannt, DNA an definierten Stellen präzise schneiden zu können. Durch diese Scheren-Funktion bietet sie Forschern revolutionäre Möglichkeiten zur Bearbeitung von Genen. Aran und ihre Kollegen nutzen für ihre Anwendung allerdings nicht die Schneide-, sondern nur die Erkennungsfunktion des CRISPR-Cas9-Systems. Der Hintergrund: Damit das Cas9-Protein des Systems Gene genau schneiden und einfügen kann, muss es zunächst die genauen Stellen in der DNA finden. Cas9 muss dazu mit einer Führungs-RNA ausgerüstet werden. Es handelt sich dabei um ein kleines Stück RNA, dessen Basen genau zu der DNA-Sequenz von Interesse passen.
Bei seiner Arbeit öffnet das Cas9-Protein zunächst die doppelsträngige DNA aus einer genetischen Probe. Es scannt sie dann nach und nach durch, bis es die Sequenz gefunden hat, die der Führungs-RNA entspricht. Bei einem Fund rastet das Protein dann gleichsam ein. 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.
Clevere Kombination
Für die Entwicklung ihres Chips haben die Forscher Tausende dieser „stumpfen“ Cas9-Proteine auf ein feines Graphen-Transistor-Netz gesetzt. Wenn nun eine dieser Einheiten die vorgegebene Ziel-DNA in einer aufgebrachten Probe findet und dadurch das DNA Stück bindet, kommt es zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Graphens. Diese Bindung ändert die elektrischen Eigenschaften des Transistors, erklären die Wissenschaftler. Der Effekt ist stark genug, dass er durch das Gerät erfasst und angezeigt werden kann. “CRISPR lieferte die Selektivität, Graphen-Transistoren brachten die Empfindlichkeit und in Kombination konnten wir so dieses Nachweisverfahren entwickeln, das keinen Vervielfältigungs-Schritt der DNA mehr benötigt”, resümiert Aran.
Um das Potenzial ihres CRISPR-Chips zu demonstrieren, verwendeten die Wissenschaftler das Gerät bereits erfolgreich, um zwei häufige genetische Mutationen in Blutproben von Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) nachzuweisen. Damit zeichnet sich auch bereits eine konkrete Einsatzmöglichkeit ab: “Derzeit werden DMD-Fälle in der Regel nicht untersucht, bis wir wissen, dass etwas nicht stimmt”, sagt Co-Atuorin Irina Conboy Universität von der University of California in Berkeley. 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.
BBis 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.
Quelle: University of California – Berkeley, Keck Graduate Institute, Nature Biomedical Engineering, doi: 10.1038/s41551-019-0371-x
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