Seit vielen Jahren entwickeln wir Software für die medizinisch-biologische Forschung und blicken auf viele erfolgreich abgeschlossene Projekte zurück, zum Beispiel in den Bereichen der Zellbiologie, Laborgeräteentwicklung, Molekularbiologie, Medizinforschung und Bioinformatik.
Projektbeispiele
Eines unserer aktuellsten Projekte in diesem Bereich ist das 3-jährige Forschungsprojekt, das am 01.02.2021 gestartet ist und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert wird. Der Forschungsverbund setzt sich aus fünf Verbundpartnern zusammen: einer Forschungsgesellschaft für angewandte Forschung, wirtschaftlichen Unternehmen und einem Forschungsinstitut.
Gesamtziel des Projekts ist die Erforschung einer neuartigen Plattform für digitale Multiplex-Assays. Das neue Gerät soll ermöglichen, eine große Anzahl an DNA-Abschnitte (DNA-Sequenzen) einer Probe besonders schnell, kostensparend und in einer nicht da gewesenen Komplexität (Multiplexgrad) zu analysieren. Um zu ermitteln, welche DNA-Abschnitte und in welcher Menge sie in der Probe vorhanden sind, dienen hierbei fluoreszierende Moleküle - Fluorophore zur Unterscheidung der DNA. Das Laborgerät wird dabei als Basismethode die digitale PCR (dPCR) nutzen.
Polymerasekettenreaktion (PCR)
Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine Standardmethode der Molekularbiologie zur Vervielfältigung von DNA. In vielen aufeinanderfolgenden Zyklen wird in einem Thermocyler-Gerät mithilfe des Enzyms DNA-Polymerase der gewünschte DNA-Abschnitt vervielfältigt. Die Reaktion wird Kettenreaktion genannt, weil immer die bereits vervielfältigte DNA als Ausgangsprodukt für die neuen exponentiellen Vervielfältigungszyklen dient (siehe Abbildung).
Seit der Erfindung der PCR von dem Biochemiker Karry Mullis im Jahr 1983, findet die PCR als eine der wichtigsten Standardmethoden in der molekularbiologischen Grundlagenforschung sowie in der alltäglichen Laborarbeit ihre Anwendung. Beispiele hierfür sind das Klonieren, die Ermittlung von Erbkrankheiten oder Erkennung von Virusinfektionen. Nicht umsonst erhielt Mullis 1993 für die Entwicklung der PCR den Nobelpreis für Chemie.
quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR): Analysemethode zur Erkennung von Covid-19 Erkrankungen
Gerade seit Beginn der weltweiten Corona Pandemie im Jahr 2020 ist nun auch der weltbreiten Öffentlichkeit die Polymerase-Kettenreaktion ein Begriff. Seit Beginn der Pandemie wird die qRT-PCR (quantitative Real-Time PCR) eine spezielle Form der PCR für den Test auf SARS-CoV-2 genutzt. Hierbei handelt es sich zum jetzigen Zeitpunkt um die präziseste und günstigste bekannte Methode für die Analyse von Patienten auf eine CoV-2 Erkrankung.
Eine extrahierte DNA Probe wird zusammen mit weiteren Reaktionslösungen in ein Reaktionsgefäß gegeben und in ein qRT-PCR Gerät gestellt. Bei der Real-Time PCR wird immer dann während der Polymerasekettenreaktion eine Fluoreszenz vom Gerät gemessen, wenn während der Reaktionen mit Fluoreszenz markierte DNA-Sonden die Existenz von einer bestimmten gesuchten DNA-Sequenz nachweist.
Da während einer qPCR die Ziel-DNA wie eine DNA-Sequenz des SARS-CoV-2 in einem Reaktionsgefäß stetig vervielfältigt wird, erhöht sich während des Prozesses auch die Intensität der ausgesendeten Fluoreszenz über die Zeit mit ansteigender DNA-Menge.
Anhand des Vergleichs der Fluoreszenzintensität von Referenzproben zu der untersuchten Probe kann nach Abschluss der Messungen rechnerisch das Vorhandensein und die Menge (Quantität) einer gesuchten DNA-Sequenz in der Probe ermittelt werden.
Da es bei dieser Messmethode nicht zu einer direkten Messung der DNA Menge kommt, sondern nur über die Bestimmung über Referenzproben, handelt es sich nicht um eine absolute Mengenbestimmung (Quantifizierung), sondern um eine relative.
digitale Polymerase Chain Reaction (dPCR)
So wie die qRT-PCR dient auch die digitale Polymerasenkettenreaktion (dPCR) zur Quantifizierung einer gesuchten DNA Probe. Vor der Analyse wird der Reaktionsansatz in Form von tausenden Tröpfchen oder Kompartimenten vereinzelt und nach der Analyse einzeln ausgelesen. Dies ermöglicht eine sehr präzise Analyse und eine absolute Quantifizierung von DNA-Sequenzen. Auch bei der dPCR vervielfältig die DNA-Polymerase die untersuchte DNA. In diesem Fall aber in jedem Reaktionsansatztropfen oder -kompartiment einzeln. Ob die gesuchte DNA-Sequenz vorhanden ist und in welcher Menge, wird hierbei über das Vorhandensein von Fluoreszenz nachgewiesen.
Da man bei der Vervielfältigung der DNA-Menge von einer Poissonverteilung ausgeht, sprich, dass die Vervielfältigung der DNA über die Zeit gleichförmig abläuft, kann anhand der Auszählung von fluoreszierenden und nicht fluoreszierenden Tröpfchen sowie der Gesamtmenge an Tröpfchen die DNA-Menge der gesamten Ausgangsprobe bestimmt werden.
Im Gegensatz zur qRT-PCR ist die dPCR viel weniger empfindlich gegenüber Faktoren, die die PCR Reaktion hemmen (PCR-Inhibitoren), ist zur Quantifizierung nicht auf Referenzproben angewiesen und kann eine wesentlich höhere Nachweisgrenze vorweisen. Hierbei zeigt eine Nachweisgrenze einer Messmethode auf, bis zu welchem extremen Wert eine Messgröße gerade noch nachgewiesen werden kann. Auch wenn die dPCR viel genauere Nachweise über DNA-Mengen liefern kann, ist jedoch bisher der große Nachteil, dass dPCR Messgeräte um einiges teuer sind als qRT-PCR Geräte, weshalb diese meist zur Messung genutzt werden. Genau hier setzt unser Forschungsprojekt FREEDOM an (siehe oben).
Fragen Sie bei uns unverbindlich nach
Berichten Sie von Ihrem Gebiet und lassen Sie sich von uns zu vorhandenen Lösungen oder individuellen Erweiterungen beraten. Profitieren Sie von unserer langjährigen Erfahrung in der Bildverarbeitung.
kununu