Revolutionäre DNA-Sequenzierung

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Die Entschlüsselung des ersten menschlichen Genoms durch das Humangenom-Projekt dauerte 13 Jahre, beschäftigte Tausende von Wissenschaftlerinnen in mehreren Labors und kostete rund drei Milliarden US-Dollar. Mit dem Projekt, das 2003 endete, wurden etwa drei Milliarden DNA-Bausteine bestimmt. Heute können pro Jahr mehr als eine Million menschliche Genome gelesen werden und die Sequenzierung eines menschlichen Genoms kostet 200 US-Dollar. Möglich wurde dies durch die sogenannte Next-Generation-Sequenzierung, die heute weltweit den Standard der DNA-Sequenzierung bildet.

Mit dem Gretener-Thürlemann Preis zeichnet die Universität Zürich im Auftrag der Gretener-Thürlemann Stiftung Forschende aus aller Welt für ihre herausragenden Leistungen in Medizin, Chemie und Physik aus. Die UZH Foundation, die Stiftung der Universität Zürich, hat gemeinsam mit der Universität den Preis geschaffen und verantwortet dessen Umsetzung. Der 2025 erstmals vergebene Preis wird dieses Jahr im Bereich Chemie verliehen und ist mit 500 000 Franken dotiert. Es ist damit der grösste an der UZH verliehene Preis.

Die 2018 gegründete Gretener-Thürlemann Stiftung geht auf das Vermächtnis von Dr. Adolf und Adelheid Gretener-Thürlemann zurück. Das Ehepaar aus Zürich teilte zeitlebens ein grosses Interesse für Wissenschaft und Forschung. Adolf Gretener (Jahrgang 1926) studierte Medizin an der UZH und war als Hausarzt tätig. Die Familie von Adelheid Gretener-Thürlemann war in der Baubranche tätig. Ihre gemeinsame Begeisterung für die Wissenschaft führte zur Gründung der Stiftung, die langfristig Forschung fördern soll.

Die Ausschreibung für den nächsten Gretener-Thürlemann Preis wird im Januar 2027 publiziert.
Mehr erfahren: Gretener-Thürlemann Preis - UZH Foundation

Wie entstand die heute als Next-Generation-Sequenzierung bekannte Technologie, für die die drei Forscher ausgezeichnet werden? In den 1990er-Jahren wollten die beiden jungen Chemiker Shankar Balasubramanian und David Klenerman an der Universität Cambridge verstehen, wie ein einzelnes Enzym DNA kopiert. Dabei kamen sie auf eine völlig neue Idee: Statt einen langen DNA-Strang Abschnitt für Abschnitt zu lesen, könnten Millionen kurzer DNA-Fragmente gleichzeitig ausgelesen werden.

Dafür werden die DNA-Fragmente auf einer Oberfläche fixiert. Immer wenn ein neuer DNA-Baustein eingebaut wird, sendet er kurz ein farbiges Fluoreszenzsignal aus. Nach jedem Schritt wird der Farbstoff entfernt und der nächste Baustein eingebaut. Aus den so entstehenden Bildern lässt sich die Sequenz jedes einzelnen Fragments bestimmen.

Anschliessend setzen Computer Millionen dieser kurzen Sequenzen wieder zum vollständigen Genom zusammen. Die eigentliche Innovation lag damit weniger in einer neuen chemischen Methode als in einem völlig neuen Prinzip des parallelen Sequenzierens. Dadurch wurden DNA-Analysen von einer langsamen und kostspieligen Spezialanwendung zu einer schnellen, vergleichsweise günstigen Routine.

Nachdem Shankar Balasubramanian und David Klenerman das Grundprinzip der heute als Next-Generation-Sequenzierung bekannten Technologie entwickelt hatten, gründeten sie 1998 die Firma Solexa mit dem Ziel, ihre wissenschaftliche Idee technisch umzusetzen und zu kommerzialisieren.

Unabhängig von ihrer Arbeit entwickelte der Biophysiker Pascal Mayer eine Methode, mit der jedes einzelne DNA-Molekül zunächst vielfach kopiert wird. Dadurch werden die Fluoreszenzsignale deutlich stärker und die Messungen wesentlich zuverlässiger. Mayer patentierte dieses sogenannte Cluster-Verfahren in seinem Unternehmen Manteia Predictive Medicine. Später übernahm Solexa die Technologie und integrierte sie in ihr Sequenzierungssystem. Dadurch wurde die DNA-Sequenzierung präziser, kostengünstiger und für die industrielle Anwendung skalierbar.

Während Balasubramanian und Klenerman das Grundprinzip der heute als Next-Generation-Sequenzierung bekannten Methode entwickelten, schuf Pascal Mayer mit der Cluster-Amplifikation eine entscheidende Grundlage für deren praktische Umsetzung. Erst die Kombination beider Innovationen führte zur heute weltweit dominierenden Next-Generation-Sequenzierungstechnologie.

2006 kam der «1G Genome Analyser» auf den Markt - das erste Gerät, das mehr als eine Milliarde DNA-Basen in einem einzigen Durchlauf lesen konnte. Damit wurde aus einer Laboridee ein einsatzfähiges Produkt. Heute ist es die Firma Illumina, die 2007 Solexa übernommen hat, die immer leistungsfähigere Sequenzierungsgeräte auf den Markt bringt. Mit den modernen Geräten können pro Sequenzierungslauf mehrere Billionen DNA-Basen gelesen werden. Damit ist die Solexa-Illumina-Technologie heute die weltweit dominierende Methode der Next-Generation-Sequenzierung und liefert den grössten Teil aller erzeugten Genomdaten.

Die von Balasubramanian, Klenerman und Mayer entwickelte Next-Generation-Sequenzierung ist jedoch weit mehr als ein schnelleres Laborverfahren. Sie hat die Medizin und die biologischen Wissenschaften grundlegend verändert und wird heute in verschiedenen Gebieten angewendet wie der personalisierten Krebsmedizin, für die Diagnose von seltenen Erbkrankheiten, der Pränataldiagnostik oder um Infektionskrankheiten zu bekämpfen. So war sie während der COVID19-Pandemie entscheidend, um neue Virusvarianten zu erkennen und ihre Ausbreitung zu verfolgen.

Gleichzeitig ermöglichte die Technologie erstmals die schnelle und kostengünstige Gesamtgenomsequenzierung einer grossen Zahl unterschiedlichster Organismen. Dadurch erhielten die Pflanzen- und Umweltwissenschaften, die Evolutionsbiologie sowie zahlreiche weitere biologische Disziplinen einen enormen Entwicklungsschub.

Weil Genome heute schnell und preiswert entschlüsselt werden können, haben sich zahlreiche Forschungsgebiete rasant entwickelt. Dazu gehören die Erforschung der Genregulation, die Epigenetik, die Erforschung nicht-kodierender RNA, die Einzelzellgenomik, die Evolutionsforschung sowie die Pflanzen- und Agrarwissenschaften. Das auf diesen Gebieten generierte Wissen ist die Grundlage für neue Medikamente, bessere Diagnoseverfahren oder widerstandsfähigere Nutzpflanzen, die weltweit zur Ernährungssicherheit beitragen.

Für die Entwicklung ihres bahnbrechenden Sequenzierungs-Verfahrens, das die Genomrevolution entscheiden vorangebracht hat, werden Shankar Balasubramanian, David Klenerman und Pascal Mayer mit dem Gretener-Thürlemann Preis 2026 für Chemie ausgezeichnet. Die Preisverleihung findet am 5. November an der Universität Zürich statt.

Prof. Sir Shankar Balasubramanian
Herchel Smith Professor of Medicinal Chemistry, University of Cambridge

Prof. Sir David Klenerman
Royal Society GSK Research Professor, University of Cambridge

Prof. Dr. Pascal Mayer
Honorary Chair, Université de Strasbourg, Institut d'études avancées

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