Gerät ermöglicht die Identifizierung von Pflanzen-DNA auf dem Feld

Im botanischen Garten der Waadt in Lausanne versammelt sich eine Gruppe von Studierenden um ein Exemplar von Hedera colchica, besser bekannt als Persischer Efeu. Sie untersuchen, wie die Pflanze auf kleine beigefarbene Flecken auf ihren smaragdgrünen Blättern reagiert. Die Pflaster, die im Rahmen des GenoRobotics-Projekts entwickelt wurden, bestehen aus einem Hydrogel und enthalten eine Matrix aus 11x11 Mikronadeln, die nur 800 Mikrometer gross sind.

«Mikronadelpflaster wurden ursprünglich entwickelt, um Substanzen wie Impfstoffe zu injizieren», sagt Nicolas Adam, Koordinator von GenoRobotics, «als wir vor sechs Jahren mit unserem Projekt begannen, waren wir unter den ersten, die diese Art von Pflastern zur Informationsgewinnung einsetzten. Soweit ich weiss, sind wir immer noch die einzige Forschungsgruppe, die sie einsetzt, um Wirts-DNA aus Pflanzen zu extrahieren. Diese Form der Extraktion ist einfach und schnell und senkt die Kosten im Vergleich zur herkömmlichen Methode um den Faktor zehn.»

Positive Auswirkungen auf die biologische Vielfalt

Rund 50 Studierende sind an GenoRobotics beteiligt, das Teil der MAKE-Initiative der EPFL ist. Ihr Ziel ist es, die Kategorisierung von Pflanzenarten zu erleichtern, um die Funktionsweise von Ökosystemen besser zu verstehen und so zum Schutz der Artenvielfalt beizutragen. Das Team hat eine tragbare DNA-Identifizierungsmethode entwickelt, die sowohl kostengünstig als auch robust ist. Sie kann im Feld eingesetzt werden, um Analysen vor Ort durchzuführen: Die Forschenden müssten beispielsweise keine Proben mehr in ein Labor tragen und könnten sofort den Namen einer Art bestimmen. Und sollten sie über eine neue Art stolpern, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlerr sofort eine Fülle von Informationen sammeln.

«Unser tragbarer Ansatz kann pflanzliche DNA – einschliesslich der Schritte Extraktion, Amplifikation und Sequenzierung – in Rekordzeit und zu wesentlich geringeren Kosten als der Standardprozess, der in einem Labor durchgeführt werden muss, identifizieren», sagt Adam. Die Forschungsgruppe hat ihre Ergebnisse als Open Source zur Verfügung gestellt, damit die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft davon profitieren kann.

Vorbereitungen für Madagaskar

Die Studierenden entwickeln ihr Protokoll in Zusammenarbeit mit dem Botanischen Garten Lausanne, der zum Naturéum gehört. Der Garten hat sich bereit erklärt, einige seiner 5000 Arten für die Tests zur Verfügung zu stellen. Das GenoRobotics-Team will das Protokoll bis zum Herbst dieses Jahres fertigstellen, wenn eine Expedition in die Regenwälder Madagaskars geplant ist, wo zahlreiche einheimische Arten beheimatet sind. «Wenn wir die biologische Vielfalt der Erde wirksam erhalten wollen, müssen wir uns zuerst ein klares Bild von all ihren Bestandteilen machen», sagt Patrice Descombes, Chefkurator des Botanischen Gartens des Naturéum. «Das GenoRobotics-Projekt der EPFL soll einen wichtigen Schritt in diese Richtung machen, weshalb wir beschlossen haben, es als Forschungsorganisation zu unterstützen. Die Zusammenarbeit mit den Studierenden hat uns auch neue Ideen gebracht und hilft uns, unsere Sammlungen von Pflanzenarten zu präsentieren.»

Die Möglichkeit, konkrete Schritte zum Schutz der biologischen Vielfalt zu unternehmen, hat Ghali Jaidi, Bachelor-Student im zweiten Jahr in Life Science Engineering, dazu bewogen, an dem Projekt teilzunehmen: «Ich war frustriert über den Mangel an praktischer Erfahrung in meinen Kursen», erklärt er, «aber GenoRobotics gab mir die Möglichkeit, die Theorie, die ich im Unterricht gelernt habe, auf ein konkretes Problem anzuwenden.» Zu Jaidis Aufgaben gehört es, verschiedene flüssige Puffer zu testen, um festzustellen, welcher die DNA-Fragmente zwischen den Extraktions- und Amplifikationsschritten so lange wie möglich intakt hält.

Samuel Goodchild, Bachelor-Student im dritten Jahr in Life-Science Engineering, arbeitet speziell an der Amplifikation: «Wir haben uns für eine Rekombinase-Polymerase-Methode mit Enzymen entschieden, da sie bei Temperaturen zwischen 37 und 40 °C durchgeführt werden kann», sagt er. Diese Methode verbraucht viel weniger Energie als die herkömmliche PCR-Methode und kann vor Ort in etwa 40 Minuten statt in zwei oder drei Stunden durchgeführt werden.

Das GenoRobotics-Protokoll wurde 2023 bei einem Ausflug in den Naturpark Jorat getestet und erwies sich als zuverlässig. Descombes, ebenfalls ein erfahrener Botaniker, nahm an dieser Übung teil. Das Team verglich seine Ergebnisse mit denen des Standardverfahrens. Wie sich herausstellte, stimmten die beiden Datensätze überein.

«Unsere Methode kann derzeit durchschnittlich zwei DNA-Barcodes erzeugen, was in der Regel ausreicht, um verschiedene Arten zu unterscheiden», sagt Adam, «aber im Idealfall würden wir gerne vier Barcodes erhalten, denn das würde uns viel mehr Informationen liefern, insbesondere bei neuen Arten. Wir planen, unser Extraktionsverfahren weiter zu verbessern, damit wir mehr DNA sammeln können und weniger empfindlich auf Faktoren wie die Jahreszeit reagieren» – da das Verfahren grüne Blätter erfordert – «sowie auf die Art der Pflanze und das Vorhandensein von Verunreinigungen wie Proteinen und Zuckern, die die DNA-Amplifikation hemmen.»

Zeit- und Kostenersparnis

Ein weiteres Ziel des Projektteams ist es, die Kosten für die DNA-Sequenzierung zu senken, vor allem durch die Verkürzung der benötigten Zeit. Die Studierenden haben sich für den von Oxford Nanopore Technologies entwickelten Sequenzer entschieden – den einzigen tragbaren, der derzeit auf dem Markt ist. Sie haben einen Algorithmus entwickelt, der während der Sequenzierung DNA-Sequenzen in Echtzeit erstellt und diese dann mit einer bestehenden Datenbank vergleicht. «Das bedeutet, dass wir den Sequenzierungsprozess stoppen können, sobald wir DNA-Sequenzen erhalten, die von ausreichender Qualität sind und uns eine Pflanze mit ausreichender Genauigkeit identifizieren lassen», sagt Adam. «Und natürlich ist unser Algorithmus in der Lage, offline zu laufen, um in abgelegenen Gebieten eingesetzt zu werden.»

Das GenoRobotics-Projekt ist von Natur aus fächerübergreifend, da es sich auf eine breite Palette von Fähigkeiten stützt: Informatik, Biologie, Ingenieurwesen und mehr. «Neben dem Ziel des Projekts, die Artenvielfalt zu schützen, hat mich vor allem die Kombination von Biologie und Technik gereizt», sagt Charlotte Alers, Masterstudentin bei Neuro-X und Leiterin der GenoRobotics-Expeditionseinheit: «Jedes Teammitglied bringt sein eigenes Spezialwissen mit, so dass wir wirklich voneinander lernen können.» Während sie auf die Madagaskar-Expedition im Herbst wartet, macht Alers mit ihrer Gruppe Trockenübungen in den örtlichen botanischen Gärten, um einige der noch verborgenen Geheimnisse der Pflanzen-DNA zu lüften.