Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/oxford-nanopore-das-internet-den-lebenden-dinge-1605-120736.html    Veröffentlicht: 13.05.2016 09:00    Kurz-URL: https://glm.io/120736

Oxford Nanopore

Das Internet der lebenden Dinge

Erst gab es das Internet, das Computer vernetzte. Dann folgten mit dem Internet der Dinge beliebige Gegenstände. Und jetzt soll es auch ein Internet of Living Things geben - ein Internet der Organismen.

Wie verbreiten sich Viren? Sind Erreger im Wasser? Und was esse ich da eigentlich gerade? Das britische Unternehmen Oxford Nanopore hat ein DNA-Sequenzierungsgerät für die Hosentasche entwickelt, das dies alles beantwortet. Doch das soll nicht alles sein. Der Plan ist viel größer: eine Echtzeitüberwachung biologischer Daten und deren Auswertung durch eine Vernetzung der biologischen Welt.

"Was den meisten nicht bewusst ist: Die Welt ist voller DNA. Sie ist überall - in allem, was lebt, in allem, was gestorben ist. Das Blut ist voller DNA, ebenso Zellen, Viren, Bakterien. Sie ist da und wartet darauf, gezählt, inventarisiert und verfolgt zu werden", sagt Clive Brown, Oxford Nanopores Technikchef, im Gespräch mit Golem.de. DNA ist die Abkürzung für Deoxyribonucleic Acid, auf Deutsch: Desoxyribonukleinsäure. Diese Moleküle tragen das Erbgut eines Lebewesens.

Minion passt in die Hosentasche

Oxford Nanopore hat DNA-Sequenzierer entwickelt, Geräte, die die Nukleotid-Abfolge in einem DNA-Molekül bestimmen und damit auch, um welche DNA es sich handelt. Solche Geräte sind zwar nicht neu, normalerweise aber riesig und nur etwas für den Gebrauch im Labor. Nicht so die von Oxford Nanopore: Promethion passt auf den Schreibtisch, Minion sogar in die Hosentasche.

Kernstück des Geräts ist ein Durchflussmodul mit einem Biochip. Der besteht aus vielen, 1,5 Nanometer großen Protein-Nanoporen in einer Membran. Die Membran ist mit Mikrogerüsten an einem Sensorchip befestigt. In jedem der Mikrogerüste befindet sich eine kleine Elektrode, so dass mehrere Messungen zur gleichen Zeit möglich sind. Der Sensorchip wiederum sitzt auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (Application-specific Integrated Circuit, Asic).

DNA lässt Spannung abfallen

Eine Probe wird in einer Flüssigkeit gelöst, die Lösung in das Gerät eingegeben. Vorbereitet wird die Probe mit dem Zusatzgerät Voltrax. An die Membran von Minion wird eine Spannung angelegt, wodurch Ionen durch die Poren fließen. Wenn sich ein DNA-Strang in die Pore setzt, wird der Durchfluss behindert und die Spannung fällt ab. Jeder der vier Basen, aus denen die DNA besteht - Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) -, ändert den Strom dabei auf eine charakteristische Art und Weise. Betrieben wird Minion an einem Computer, an den das Gerät über USB 3 angeschlossen wird. Eine Software entschlüsselt die elektrischen Signale und analysiert, um welche DNA es sich handelt.

Minion sei derzeit das kleinste derartige Gerät auf dem Markt, sagt Brown. Das eröffne ganz neue Möglichkeiten. Dazu gehört etwa, DNA-Sequenzierungen vor Ort durchzuführen. In Guinea wurden die Geräte im vergangenen Jahr eingesetzt, um die Stämme des Ebola-Virus zu identifizieren. An der Ebola-Epidemie waren 2014 in Westafrika mehr als 11.000 Menschen gestorben. Durch die DNA-Sequenzierung vor Ort ließ sich nachvollziehen, woher das Virus kam und wie die Ansteckungskette verlief. Ähnliche Daten werden jetzt über das Zika-Virus gesammelt.

Es gibt aber auch alltäglichere Anwendungen.

DNA-Sequenzierung für jedermann

Eine Gruppe italienischer Biologen etwa will mit Hilfe von Minion im Regenwald Tansanias bisher unbekannte Froscharten finden. Das Gerät kann helfen, den illegalen Handel mit Hölzern und anderen Pflanzen oder Tieren aufzudecken - DNA-Barcoding wird diese Methode genannt. Mit Minion lässt sich feststellen, ob Lebensmittel mit Bakterien befallen sind oder ob ein Nahrungsmittel überhaupt das ist, als was es etikettiert wurde - Brown erinnert an den Skandal im Jahr 2013, als bekanntwurde, dass Burger Pferdefleisch enthielten.

Minion funktioniert sogar in Mikrogravitation, wie die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (Nasa) in Parabelflügen getestet hat. Im kommenden Monat will sie ein solches Gerät sowie einige Proben auf die Internationale Raumstation (International Space Station, ISS) schicken. Verlaufen die Tests dort erfolgreich, soll es künftig unter anderem dazu eingesetzt werden, Krankheitserreger zu identifizieren, die die Astronauten befallen könnten.

Cloud-basierte Dienste für DNA

DNA-Sequenzierung zu demokratisieren, ist das Ziel von Oxford Nanopore: Minion liefert Daten und Analysen, und die können gesammelt werden durch Metrichor, ein Tochterunternehmen von Oxford Nanopore. Das soll Apps und Cloud-Anwendungen anbieten, um mit den aus der DNA-Sequenzierung gewonnenen Daten zu arbeiten. Die können von Oxford Nanopore selbst entwickelt sein, die Plattform soll aber auch Drittanbietern offenstehen.

Die erste App, What's in my Pot, ist eine Eigenentwicklung. Damit lassen sich Bakterien, Viren und Pilze in einer Probe, etwa einem Nahrungsmittel, untersuchen und identifizieren.

DNA-Daten werden angereichert

Mit Hilfe der Apps sollen die Daten zudem mit Metadaten angereichert werden, zum Beispiel Zeit und Ort der Probe. Andere wertvolle Metadaten sind laut Metrichor Temperatur, Höhe oder Feuchtigkeit. Auch Bilder oder Töne sollen ausgewertet werden und mit den Daten aus den Sequenzierungen in Beziehung gesetzt werden.

Eine mögliche Anwendung sei, dass Nutzer ihr Blut untersuchen und von einem auf sie zugeschnittenen Cloud-Dienst Daten über ihre DNA bekommen könnten. So könnten sie etwa erfahren, dass bestimmte Mikroorganismen vermehrt im Körper auftreten. Auf Basis solcher Daten könne der Nutzer sein weiteres Vorgehen planen, beispielsweise einen Arzt aufsuchen. Die Anwendung selbst, betont Brown, liefere keine Diagnose oder gebe keine medizinischen Empfehlungen.

Beim individuellen Einsatz will Brown es aber nicht belassen. Er will die Welt der DNA vernetzen.

Das Internet des Lebens

Browns Vision ist ein Internet der Mikroorganismen, das Internet of Living Things. Darin werden alle möglichen Gegenstände mit Sensoren versehen, um dauerhaft ihre Funktionsweise registrieren zu können. Ein beliebter Vergleich ist eine Maschine oder ein Motor, die rechtzeitig melden, wenn ein Teil nicht in Ordnung ist. Dieses kann dann ausgetauscht werden, bevor es kaputtgeht und dabei vielleicht auch den Motor beschädigt.

Analog dazu will Brown DNA-Sequenzierer überall in der Welt ausbringen: "Die Idee ist: Der Sensor selbst kann an den unterschiedlichsten Orten eingesetzt werden", sagt er. "Das kann so etwas Triviales wie eine Zahnbürste sein. In dem Fall würde er scannen, was im Mund lebt oder eventuell im Blut ist."

Selbstquantifizierer sollen Minion kaufen

Brown will aber nicht nur, dass die Menschen sich selbst betrachten - auch wenn er in der Quantified-Self-Bewegung eine große Abnehmerschaft für die Sequenzierer sieht. Andere Einsatzmöglichkeiten, die ihm vorschweben, sind etwa in der Medizin, der Lebensmittelproduktion, der Wasserversorgung, der Landwirtschaft, überhaupt in der Natur - also überall dort, wo es darauf ankommt, ständig Daten zu bekommen.

Denn das wird der große Unterschied zu heute sein: Statt episodisch Proben zu nehmen und jedes Mal ein neues Resultat zu bekommen, gibt es eine Echtzeitüberwachung. Damit lassen sich Veränderungen schnell erkennen, etwa der Befall eines Nahrungsmittels mit schädlichen Bakterien oder die Ausbreitung eines Pilzes auf einem Feld.

Das Vorbild ist der Finanzmarkt

"Die Idee hinter dem Internet of Living Things umfasst eine regelmäßige, geografisch zugeordnete, kostengünstige Inventarisierung jeder DNA unter allen Umständen", sagt Brown. Er vergleicht das mit der Börse: Der Markt verändere sich ständig. "Man bekommt Informationen fast in Echtzeit. Auf Basis dieser Informationen lassen sich Vorhersagen treffen und Entscheidungen fällen." Das will er auf die lebende Welt übertragen: Eine Veränderung soll unmittelbar feststellbar sein, um so schnell eingreifen zu können.

Bei einem solchen Projekt ist Datenschutz immens wichtig. Es gelte, sagt Brown, die nötigen Maßnahmen zu ergreifen und die Risiken so gering wie möglich zu halten. Das sei nicht anders als bei Bankdaten. Dafür gebe es aber Vorbilder wie sicheres Computing und Gesetze, die Missbrauch unter Strafe stellen. "Wir alle hinterlassen viele Datenspuren, und immer mehr Daten werden elektronisch abrufbar", sagt Brown. "Ich sehe da keinen Unterschied zu DNA-Daten."

DNA-Sequenzierung ist noch relativ teuer

Vorerst wird das Internet des Lebendigen dennoch eher wissenschaftlichen Einsätzen vorbehalten bleiben. Die Minions sind nämlich noch recht teuer: Das Sequenzierungsgerät selbst kostet 1.000 US-Dollar. Ein Durchflussmodul, das wenige Wochen hält, kostet 500 US-Dollar. Brown ist allerdings überzeugt, dass es möglich sein wird, die Kosten auf 5 bis 10 US-Dollar zu senken.

Dann sei eine Nutzung für kommerzielle Zwecke möglich, sagt Brown. Ziel sei, mit Hilfe dieser Daten das Leben der Menschen zu verbessern. "Ich glaube, dass Nahrungsmittellieferanten DNA-Sequenzierungen nutzen, um Gütegrade und Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten". Sie könnten damit beispielsweise beweisen, dass ihre Regale sauber seien oder dass ihre Burger aus Rindfleisch und nicht aus Pferd bestünden. Brown ist sicher: "Das wird irgendwann Standard werden."

In einem Pilotprojekt mit Narando vertonen wir in den kommenden Wochen zwei bis drei Golem.de-Artikel pro Woche. Die Texte werden nicht von Robotern, sondern von professionellen Sprechern vorgelesen. Über Feedback unserer Zuhörer freuen wir uns - im Forum oder an redaktion@golem.de.  (wp)


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