Im Herzen des Botanischen Gartens des Kantons Lausanne ist eine Gruppe von Menschen mitHedera colchica beschäftigt. Die dunkelgrünen Blätter des kaukasischen Efeus sind an einigen Stellen mit kleinen beigen Quadraten tätowiert. Das sind die Markierungen eines Hydrogel-Pflasters, das aus 11x11 Mikronadeln mit einer Höhe von 800 Mikrometern besteht und vom Team von GenoRobotics entwickelt wurde. "Ursprünglich wurden die Mikronadelpflaster entwickelt, um Substanzen wie Impfstoffe zu injizieren. Als wir vor sechs Jahren mit dem Projekt begannen, gehörten wir zu den ersten, die sie zur Informationsgewinnung einsetzten", erklärt Nicolas Adam, Koordinator des GenoRobotics-Projekts. Meines Wissens sind wir immer noch die einzigen, die sie zur Extraktion von Wirts-DNA aus einer Pflanze verwenden. Diese Methode ermöglicht eine einfache, schnelle Extraktion und die Kosten sind im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren um das Zehnfache gesunken."
Auswirkungen auf die Biodiversität
Das von der EPFL unterstützte GenoRobotics ist Teil der MAKE-Initiative und vereint rund 50 Studentinnen und Studenten. Ziel dieses interdisziplinären Projekts ist es, die Erfassung von Pflanzenarten zu erleichtern, um die Funktionsweise von Ökosystemen besser zu verstehen und so die Biodiversität zu erhalten. Zu diesem Zweck arbeitet das Team an der Entwicklung eines tragbaren, kostengünstigen und robusten DNA-Analysegeräts. Ziel ist es, die Analyse vor Ort durchführen zu können, um den Export von Proben zu vermeiden, sofort den Namen einer Art zu kennen und bei Neuentdeckungen möglichst viele Daten zu erfassen."Von der DNA-Extraktion über die Amplifikation bis hin zur Sequenzierung ermöglicht unsere Allround-Lösung eine DNA-Identifizierung in Rekordzeit und zu geringeren Kosten als bei einem klassischen Laborprotokoll", stellt Nicolas Adam fest. Um das Projekt möglichst vielen Menschen zugänglich zu machen, wird es auch als Open-Source-Projekt durchgeführt.
Das Protokoll für Madagaskar erproben
Das Team verfeinert derzeit sein tragbares Labor in Partnerschaft mit dem Botanischen Garten des Kantons Lausanne, der einige seiner 5000 Pflanzenarten zur Verfügung gestellt hat. Dies geschieht im Hinblick auf eine Expedition im Herbst in die Regenwälder von Madagaskar, in denen es viele endemische Arten gibt. "Es ist entscheidend, unsere Biodiversität zu kennen, um sie wirksam zu schützen, und das Projekt von GenoRobotics könnte einen bedeutenden Schritt in diese Richtung darstellen, weshalb wir es unterstützen. Als wissenschaftliche Institution fördert diese Zusammenarbeit einen bereichernden Austausch und bringt gleichzeitig unsere Sammlungen zur Geltung", bemerkt Patrice Descombes, Chefkonservator der Botanikabteilung des Naturéum (Muséum cantonal des sciences naturelles).Einen Einfluss auf die Erhaltung der Biodiversität zu haben, war für Ghali Jaidi der Grund, sich GenoRobotics anzuschließen. "Ich war frustriert über den Mangel an praktischen Übungen in meinem Studiengang. Diese Art von Projekt bringt einen konkreten Ansatz mit sich und knüpft gleichzeitig an die im Unterricht behandelte Theorie an. Es verstärkt das Wissen und hat mir geholfen, mich mit der Handhabung von Laborgeräten wohl zu fühlen." Der Student imzweiten Jahr des Studiengangs Life Science Engineering testet zum Beispiel verschiedene Puffer (flüssige Lösungen), um die intakten DNA-Stränge zwischen Extraktion und Amplifikation möglichst lange zu erhalten.
"Bei der Amplifikation sind wir von einer enzymbasierten Methode mittels Rekombinase und Polymerase ausgegangen, die bei Temperaturen zwischen 37° und 40° durchgeführt werden kann", erklärt Samuel Goodchild, Student imdritten Jahr im Studiengang Life Science Engineering. Die Methode, die auch im Feld durchgeführt werden kann, hat den Vorteil, dass sie viel weniger Energie verbraucht als die PCR-Amplifikation und nur 40 Minuten statt 2 bis 3 Stunden dauert. Und sie erweist sich als zuverlässig, wie eine Expedition in den Wald des Naturparks Jorat gezeigt hat.
Die Studie, die im Sommer 2023 in Begleitung von Patrice Descombes durchgeführt wurde - der Konservator ist ein erfahrener Botaniker -, sollte die Ergebnisse der traditionellen Identifizierung mit denen der von GenoRobotics entwickelten genetischen Identifizierung vergleichen. Das Ergebnis: Sie stimmten überein. "Mit unserem Protokoll können wir derzeit durchschnittlich zwei DNA-Regionen (Barcodes) erhalten, die eine genetische Differenzierung der Arten ermöglichen. In den meisten Fällen reicht das aus, um die Art zu identifizieren. Idealerweise streben wir jedoch den Erhalt von 4 Barcodes an, da dies einen interessanten Informationsgewinn mit sich bringt, insbesondere bei neuen Arten. Wir müssen das Extraktionsprotokoll noch verbessern, um mehr DNA zu gewinnen und weniger abhängig von Faktoren wie der Jahreszeit (d.h. grüne Blätter), dem Pflanzentyp oder Verunreinigungen wie Proteinen und Zuckern zu sein, die die Amplifikation hemmen", erklärt Nicolas Adam.
Kosten optimieren und Zeit sparen
Eine weitere Herausforderung für GenoRobotics besteht darin, die Kosten für die Sequenzierung zu senken, insbesondere durch die Verkürzung der Zeit, die für die Sequenzierung benötigt wird. Für diesen Schritt verwendet das Team den Sequenzierer von Oxford Nanopore Technologies, derzeit der einzige auf dem Markt, der tragbar ist. Die Studentinnen und Studenten haben einen Algorithmus entwickelt, der es während der Sequenzierung ermöglicht, die DNA-Sequenzen in Echtzeit zu rekonstruieren und gleichzeitig mit einer Datenbank zu vergleichen. "Sobald also die DNA-Sequenzen von ausreichender Qualität sind und die Pflanze mit ausreichender Genauigkeit identifiziert haben, können wir die Sequenzierung stoppen. Natürlich ist dieser Algorithmus in der Lage, offline zu laufen, um ihn in abgelegenen Gebieten einzusetzen", sagt Nicolas Adam.Informatik, Biologie, Ingenieurwesen - die Mitglieder von GenoRobotics müssen das Wissen aus verschiedenen Disziplinen miteinander vermischen, damit das Projekt funktioniert. "Neben dem Schutz der Biodiversität hat mich die Verbindung von Biologie und Technik sehr interessiert. Man bringt sich gegenseitig Wissen bei, das ist ein sehr bereichernder Austausch, und ich lerne auch, Studentinnen und Studenten in Verfahren zu schulen, was mich die Grundlagen aus einem anderen Blickwinkel neu entdecken lässt", bemerkt Charlotte Alers, Masterstudentin in Neuro-X und Leiterin des Expeditionsbereichs von GenoRobotics. In Erwartung der üppigen Wälder Madagaskars führt sie ihr kleines Team auf die Wege des Botanischen Gartens, wo manche Pflanzen noch zögern, alle Geheimnisse ihrer DNA zu enthüllen.
