A fully-automated high-throughput DNA extraction protocol for human microbiome samples
Die Autoren präsentieren „epsilon“, eine vollautomatische DNA-Extraktionspipeline, die den Durchsatz signifikant erhöht und die Kosten sowie die Umweltbelastung für groß angelegte Mikrobiom-Studien reduziert, während gleichzeitig die DNA-Qualität und die Kompatibilität mit internationalen Standards gewahrt bleiben.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Um den menschlichen Körper zu verstehen, blicken Wissenschaftler oft über die Zellen hinaus, mit denen wir geboren werden, und untersuchen die Billionen mikroskopisch kleiner Organismen, die in uns leben. Diese Gemeinschaften, bekannt als Mikrobiom, beeinflussen alles, von der Verdauung bis hin zur Immunität. Um sie zu untersuchen, müssen Forscher zunächst das genetische Material, oder die DNA, aus diesen winzigen Kreaturen extrahieren. Dieser Schritt ist entscheidend, denn wenn die DNA während der Sammlung beschädigt oder verunreinigt wird, kann die gesamte Studie verfälscht werden. Jahrelang war die Standardmethode hierfür ein manueller Prozess, bei dem Wissenschaftler die Proben sorgfältig von Hand handhabten. Obwohl diese Methode zuverlässig war, ist sie langsam und schwer skalierbar. Da die wissenschaftliche Gemeinschaft bestrebt ist, zehntausende Menschen zu analysieren, um Muster in Gesundheit und Krankheit zu finden, sind die alten manuellen Methoden zu einem Engpass geworden, der mit der Nachfrage nach groß angelegten Daten nicht Schritt halten kann.
Ein Forschungsteam der Université Paris-Saclay in Frankreich hat diesen Engpass überwunden, indem es ein vollautomatisches System zur Extraktion von DNA aus menschlichen Mikrobiom-Proben entwickelt hat. Sie schufen eine Pipeline, die sie „epsilon“ nannten und die eine Serie von Roboterarmen und Flüssigkeitshandhabungsmaschinen nutzt, um Proben von Anfang bis Ende ohne menschliches Eingreifen zu verarbeiten. Das System ist darauf ausgelegt, dieselben Arten von Stuhlproben zu handhaben, die auch in früheren Studien verwendet wurden, tut dies jedoch mit einer Geschwindigkeit und Konsistenz, die manuelle Arbeit nicht erreichen kann. Um sicherzustellen, dass die von diesen Maschinen erzeugten Daten genau und rückverfolgbar sind, entwickelte das Team auch ein spezielles Softwaretool namens RHEA. Diese Software organisiert automatisch die riesige Menge an Daten, die von den Robotern produziert werden, indem sie jede einzelne Probe mit ihren spezifischen Ergebnissen verknüpft und eine klare Aufzeichnung des gesamten Prozesses erstellt.
Die Forscher testeten ihr neues System, indem sie es mit ihrer bisherigen halbautomatischen Methode verglichen, die sie „delta“ nannten. Sie nahmen elf Stuhlproben von gesunden Personen und verarbeiteten diese sowohl mit dem alten als als auch mit dem neuen System. Die Ergebnisse zeigten, dass die vollautomatisierte epsilon-Pipeline eine DNA produzierte, die genauso gut war wie die der halbautomatischen Version. Die Menge der gesammelten DNA war vergleichbar, und das genetische Material blieb intakt und unbeschädigt. Obwohl das automatisierte System ein etwas anderes Reinheitsverhältnis als die manuelle Methode lieferte, war der Unterschied gering und lag innerhalb des akzeptablen Bereichs für eine qualitativ hochwertige genetische Analyse. Tatsächlich lieferte der automatisierte Prozess eine DNA, die näher am idealen Reinheitsstandard lag, was darauf hindeutet, dass sie in manchen Aspekten sogar sauberer sein könnte.
Über die Qualität der DNA hinaus bot das neue System dramatische Verbesserungen in Bezug auf Effizienz und Kosten. Die Forscher fanden heraus, dass die automatisierte Pipeline zwei vollständige Probensätze in weniger als drei Tagen verarbeiten konnte, während die vorherige Methode bis zu zwölf Tage benötigte, um dasselbe Ergebnis zu erzielen. Diese Geschwindigkeit übersetzt sich in eine massive Reduzierung der Zeit, die Wissenschaftler für die Arbeit aufwenden müssen, wodurch die menschlichen Arbeitskosten um drei Viertel gesenkt werden konnten. Das System reduzierte zudem die Kosten für die pro Probe benötigten Materialien um fast zwölf Prozent. Vielleicht am bedeutendsten ist, dass die Automatisierung es dem Team ermöglichte, kleinere Röhrchen und insgesamt weniger Kunststoff zu verwenden. Durch die Miniaturisierung des Prozesses reduzierten sie die Menge des pro Probe verwendeten Polypropylen-Kunststoffs um fast sieben Gramm, was einem erheblichen Rückgang des mit der Forschung verbundenen CO2-Fußabdrucks entspricht.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser vollautomatisierte Ansatz eine praktikable und überlegene Alternative für die groß angelegte Mikrobiom-Forschung darstellt. Er hält die hohen Standards der genetischen Qualität ein, die für wissenschaftliche Entdeckungen erforderlich sind, und löst gleichzeitig die Probleme von Geschwindigkeit, Kosten und Umweltbelastung, die bisherige Methoden eingeschränkt haben. Das Team hat alle notwendigen Anweisungen, Software und Protokolle öffentlich zugänglich gemacht, damit andere Labore diesen Arbeitsablauf übernehmen können. Indem sie beweisen, dass Roboter empfindliche biologische Proben ebenso gut oder sogar besser als menschliche Hände handhaben können, bietet diese Arbeit eine verlässliche Grundlage für die nächste Generation von Studien, die die Mikrobiome von zehntausenden Menschen analysieren werden, um neue Erkenntnisse über die menschliche Gesundheit zu gewinnen.
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