Forschung im Hochdurchsatz

Einrichtung der neuen DNA Biofoundry "MaxGENESYS" am MPIterMic

31. August 2020

Daniel Schindler, Leiter der neuen Biofoundry MaxGenesys am MPIterMic, erzählt, was der MPG weite Forschungsservice in Zukunft bieten wird und wie man mit synthetischen Chromosomen „würfeln“ kann.

Daniel, Du bist Forschungsleiter der neuen und MPG-weiten Biofoundry MaxGENESYS. Was ist das, eine Biofoundry?

Also, Biofoundries sind in den letzten Jahren sehr in Mode gekommen. Im Prinzip geht es darum, Klonierungsarbeiten oder Synthesewege auf Roboterplattformen im großen Maßstab umzusetzen mit hohem Durchsatz in kleinen Volumina.

Was sind die Vorteile einer solchen Plattform?

Sie bedeutet effizienteres Arbeiten, und man kann damit Dinge machen, die der Mensch selbst gar nicht schaffen könnte. Beim manuellen Pipettieren passieren in diesen Größenordnungen Fehler; die Maschine kann man programmieren und dann sind die Transfers genau. MaxGENESYS ist vor allem fokussiert auf das Zusammenbauen von DNA zu komplexen Einheiten und deren Analyse und Verifizierung. Wobei anzumerken ist, dass die Plattform deutlich mehr können wird.

Wie sind deine bisherigen Erfahrungen mit Biofoundries?

In Edinburgh und Manchester habe ich nach meiner Promotion auch an solchen Maschinen gearbeitet, allerdings habe ich nur einzelne Elemente dieser Foundries verwendet. Ich bin eher ein Fan von „Standalone“ Maschinen, also einzelnen Elemente, die mehrere Forschende parallel nutzen können, im Gegensatz zu einem Gesamtsystem, wo alles eng miteinander verknüpft ist. Ein nachträglich komplett integriertes System wird dadurch nicht ausgeschlossen, aber im akademischen Bereich benötigt man meist eine deutlich höhere Flexibilität.

Was wird MaxGENESYS künftig leisten können?

Die Maschinen von MaxGENESYS sind sehr variabel einsetzbar. Es handelt sich um eine Liquid Handling Plattform, die Nukleinsäure Extraktionen durchführen kann, chemische Reaktionen zusammenpipettiert oder auch Next Generation Sequencing Libraries erstellen lässt, sowie chemische Screenings machen kann. Das System wird komplementiert durch einen akustischen Dispenser, der Reaktionen im Nanoliter Bereich ermöglicht und dadurch enorme Kostenersparnis bieten kann. Dazu wird es einen Roboter geben, der automatisch Kolonien selektiert, pickt und in ein bestimmtes Nährmedium überträgt; anschließend ein Roboter, der diese Kolonien in andere Formate übertragen kann, oder in Fest- oder Flüssigmedien im Hochdurchsatz transferieren kann für deren Charakterisierung oder Kreuzungsexperimente. Dadurch wird auch ein entsprechendes Datendokumentationssystem vorhanden sein.

Der Vorteil einer solchen flexiblen Plattform ist, dass Projekte individuell abgewickelt werden können.  Wenn eine Anfrage kommt, lassen sich auch große Stammbibliotheken ohne Probleme kopieren und charakterisieren. MaxGenesys wird nicht nur der Marburger Forschung, sondern allen Max-Planck-Instituten zur Verfügung stehen.

Ist der Umgang mit einer solchen Plattform schwer zu erlernen?

Also, der große Liquid Handling Robot ist etwas anspruchsvoller, aber eine große Anzahl der anderen Maschinen überhaupt nicht. Ich kann eine Masterstudentin oder –studenten daran kurz trainieren, dann kann sie oder er selbständig damit umgehen. Die Protokolle auf dem Liquid Handling Robot müssen trainiert und optimiert werden, aber nachdem diese etabliert sind, lassen sie sich einfach in die Laborroutine einbinden.

Was macht Deine Arbeit in MaxGENESYS besonders aus?

Es beginnt schon mit der Beratung bei der Planung von Experimenten. Es geht ja auch darum, zu kommunizieren, was gehen wird und was nicht. Bei speziellen Anforderungen muss der Roboter optimiert werden, zum Beispiel, dass er bestimmte Lösungen fehlerlos pipettiert. Es geht auch darum, ob das Projekt so umfangreich ist, dass es sich lohnt, mit einem Liquid Handling Roboter zu arbeiten. Aber es gibt auch Geräte, bei denen ist bereits alles vorgegeben, die Software ist bereits eingestellt und die Maschinen sind ready-to-go.

Die großen Geräte, die in der Biofoundry MaxGENESYS zum Einsatz kommen werden, sind noch in der Anschaffung. Dieses Gerät konnte Daniel Schindler bei unserem Gespräch jedoch bereits buchstäblich aus der Kitteltasche ziehen: Ein Nanopore-Sequencer, nicht größer als ein Schokoriegel. Damit kann man sogar das ganze menschliche Genom sequenzieren.

Wann soll MaxGENESYS an den Start gehen?

Ich bin seit August in Marburg, und die ersten Team-Mitglieder werden ab September starten. MaxGenesys wird eine gewisse Zeit brauchen, bis die volle Kapazität erreicht ist, da Großgeräte noch in der Beschaffung sind und diese anschließend entsprechend gebaut, geliefert und in Betrieb genommen werden müssen - was unter den aktuellen Bedingungen nicht einfach ist. Einige Firmen sind auf Zulieferer angewiesen und es kommt durch die Pandemie zu Verzögerungen. Ich hoffe jedoch, dass alle Geräte bald vor Ort sind. Die ersten proof-of-concept Experimente werden bereits in den nächsten Wochen starten.

Neben MaxGENESYS wirst Du noch eine eigene Forschungsgruppe leiten, unter dem Dach von Tobias Erbs Abteilung. Wie kamst Du zur synthetischen Biologie?

Ich habe hier in Marburg bei Torsten Waldminghaus promoviert. Dort habe ich angefangen, synthetische Chromosomen in Bakterien zu bauen. Dann bin ich nach Edinburgh zu Patrick Cai gegangen. Er ist der Koordinator des synthetischen Hefeprojektes. Hier geht es nicht nur darum, die 16 Chromosomen der Hefe Stück für Stück synthetisch nachzubauen, sondern es wurden auch spannende Funktionen in das neu designte Genom integriert. Zum Beispiel SCRaMbLE, das kommt von Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-mediated Evolution. Mit dieser Technik kann man aus einer einzelnen Hefezelle einen gigantischen Pool an zufälligen Genomvarianten generieren.

Das heißt, in der synthetischen Biologie wird nicht nur gebaut, sondern auch „gewürfelt“?

Exakt- aus einem bestimmten individuellen Stamm entsteht so ein Pool, wenn ich diesen Pool nun in eine bestimmte Stresssituation bringe, kann ich auf bestimmte Fähigkeiten oder Reaktionen selektionieren. Zum Beispiel erhöhe ich den Ethanolgehalt im Selektionsmedium und könnte so einen Stamm finden, der mehr Ethanol toleriert. Oder durch die Inkubation bei höheren Temperaturen können hitzeresistente Stämme generiert werden. Das ist relativ anwendungsbezogene Forschung, die auch für die industrielle Biotechnologie von Interesse ist.

Und welche Synergien siehst Du für Deine Forschung hier in Marburg?

In Marburg gibt es insgesamt viel Überlappung zum Beispiel: Herr Mösch, der Hefe-Experte ist, Gerd Bange im Bereich der funktionalen und strukturellen Biochemie, Anke Becker mit enormer Erfahrung im Bereich Laborautomation. Der Vorteil ist, dass ich schon viele Forschende hier kenne, es ist relativ einfach, da wieder anzuknüpfen. Aber auch die anderen neuen Forschungsgruppenleiter bieten enormes Potential für Synergien: Henrike Niederholtmeyer mit ihren Ansätzen in der zellfreien Biologie, und auch Georg Hochberg mit seiner Forschung zur Evolutionary Chemistry und natürlich Tobias Erb mit seinen synthetischen Stoffwechselwegen.

Womit beschäftigst Du Dich jetzt gerade?

Zur Zeit heißt es erstmal, Projekte vorzubereiten und das Labor aufzubauen, das Team erweitern und Kollaborationen initiieren. Mir ist es wichtig, junge, motivierte Menschen zu fördern - von daher sind Initiativbewerbungen für Abschlussarbeiten auf allen Levels immer willkommen!

Daniel, vielen Dank für das Gespräch, und alles Gute für Deinen Start am MPIterMic!

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