Der Mann, der die chemische Landkarte des Lebens zeichnete: Frederick Sanger und die Geschichte der genetischen Sequenzierung

Wer sich mit Genetik beschäftigt, kennt seinen Namen. Als britischer Biochemiker und zweifacher Nobelpreisträger für Chemie war Frederick Sanger zeitlebens für seine Bescheidenheit bekannt. Sanger wurde am 13. August 1918 in England geboren und schloss sein naturwissenschaftliches Studium an der Universität Cambridge ab. Während des Zweiten Weltkriegs war er vom Militärdienst befreit und setzte in dieser Zeit seine wissenschaftliche Forschung fort. 

Sanger erhielt 1958 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur Bestimmung der Struktur von Insulin und 1980 für seinen Beitrag zur Bestimmung der Basensequenzen in Nukleinsäuren. Damit war er der einzige Wissenschaftler, der diesen Preis zweimal in derselben Kategorie erhielt. Die nach Sanger benannte genetische Sequenzierungstechnik wird noch heute eingesetzt. Sanger starb 2013 im Alter von 95 Jahren. Die von ihm 1977 entwickelte Methode spielt eine wichtige Rolle bei der Gewinnung genetischer Daten in verschiedenen Bereichen, etwa zur Validierung von PCR -Ergebnissen, für phylogenetische Analysen, epidemiologische Studien und forensische Untersuchungen.

„Der Mann, der die chemische Landkarte des Lebens zeichnete“ wurde er genannt.

Next-Generation-Sequencing (NGS) ist vergleichsweise schneller, dennoch bleibt die Sanger-Sequenzierung dank ihrer flexiblen Einsatzmöglichkeiten und hohen Genauigkeit in vielen Forschungsarbeiten eine bevorzugte Technik.

Die Sanger-Methode

Frederick Sanger untersuchte insbesondere die Struktur der DNA, um eine Methode zu ihrer Sequenzierung zu entwickeln. 1977 stellte er die „Didesoxy-“ oder „Kettenabbruchmethode“ zur Bestimmung von DNA-Sequenzen vor. Diese Technik wurde entwickelt, um kurze DNA-Fragmente sequenzieren zu können, indem die Kettenverlängerung während der DNA-Kopie beendet wird. Die Methode verwendet das Enzym DNA-Polymerase und die vier Basentypen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin sowie jeweils eine Didesoxy-Version jeder Base. Didesoxy-Basen stoppen das Wachstum einer Kette. Dadurch entstehen DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge, die durch Elektrophorese getrennt und anschließend sequenziert werden können. Diese Technologie wurde später im Humangenomprojekt und in vielen weiteren genomischen Studien eingesetzt.

Die Bestimmung einer DNA-Sequenz mit der Sanger-Methode lässt sich in 7 Schritten zusammenfassen:

1. Ein doppelsträngiges DNA-Fragment (dsDNA) wird in zwei einzelsträngige DNA-Fragmente (ssDNA) getrennt.
2. Das ssDNA-Fragment wird zu Millionen von Kopien vervielfältigt.
3. Ein zu einem Ende des Fragments passendes Startstück, ein Primer, wird hinzugefügt.
4. Die Fragmente werden in vier Polymerase-Lösungen gegeben. Jede Lösung enthält vier Basentypen, aber nur einen Typ von Abbruchnukleotid.
5. Die Kette wächst weiter, bis zufällig ein Abbruchnukleotid eingebaut wird.
6. Die entstandenen doppelsträngigen DNA-Fragmente werden aufgetrennt, um eine Reihe einzelsträngiger DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge zu erhalten.
7. Die Fragmente werden durch Elektrophorese getrennt und die Sequenz wird abgelesen.

Ergänzend zu dieser Zusammenfassung wird bei der Methode üblicherweise jedes Abbruchnukleotid mit einer anderen Fluoreszenzmarkierung versehen. Nach der Elektrophorese liest ein Laserdetektor diese Markierungen aus, sodass ein automatisches DNA-Sequenziergerät die entsprechende Reihenfolge bestimmen kann.

Die Vorgeschichte: Wie sequenzierte Sanger Insulin?

Frederick Sanger entwickelte neue Methoden, um die Aminosäuresequenz von Insulin zu bestimmen. Dazu zerlegte er Proteinmoleküle in Fragmente und identifizierte nacheinander die in jedem Fragment enthaltenen Aminosäuren. Insbesondere setzte er chemische Verfahren ein, die Proteine in kleinere Fragmente aufspalteten und die Aminosäuren an deren Enden bestimmten. Indem er das Insulinmolekül zerlegte und die chemische Struktur jedes Fragments analysierte, gelang es Sanger, die Reihenfolge der Fragmente und damit die vollständige Aminosäuresequenz des Insulins zu ermitteln. Diese Arbeit brachte ihm 1958 den Nobelpreis für Chemie ein und legte den Grundstein für die Proteinsequenzierung. Das Verfahren ebnete in späteren Jahren den Weg für die Entwicklung von DNA-Sequenzierungstechniken.

Vom Nobelpreis in den Garten: Frederick Sangers bescheidener Lebensweg

1992 gründeten der Wellcome Trust und der Medical Research Council in Hinxton, nahe Sangers Wohnhaus, das Sanger-Zentrum. Als er erlaubte, das Zentrum nach ihm zu benennen, wies er John Sulston höflich darauf hin, dass ihre Arbeit ausgezeichnet sein müsse. Sanger lehnte die Erhebung in den Ritterstand ab, weil er nicht als „Sir“ angesprochen werden wollte, und nahm stattdessen den Verdienstorden an.

Sanger, der in der Wissenschaft für seine bescheidene Haltung bekannt war, nahm auch die Unterstützung zur Archivierung und Erhaltung seiner 35 Laborbücher, in denen er seine Forschung dokumentiert hatte, mit Bescheidenheit an. Im Ruhestand widmete er sich der Gartenarbeit an seinem Haus in Cambridgeshire. Neben seinen wissenschaftlichen Beiträgen zeigten auch seine Verhaltensweisen die Tiefe seines persönlichen Charakters.

Sanger blieb während seiner gesamten akademischen Laufbahn ein wissenschaftliches Genie und inspirierte seine Studierenden und Kollegen. Er vertrat die Auffassung, dass neben den praktischen Anwendungen der Forschung auch das Verständnis und die Weiterentwicklung der Grundlagenwissenschaften von großer Bedeutung seien. Seine Lebensgeschichte vereint wissenschaftliche Neugier, Hingabe und Bescheidenheit auf vielschichtige Weise. Seine Arbeiten ebneten den Weg für grundlegende Verfahren, die in der Genetik und Molekularbiologie noch heute verwendet werden.

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Unten ist eine kurze Geschichte der genetischen Forschung bei Krebs zu sehen: