Neue Anreicherungsmethoden für eDNA aus Flüssigproben

Im Bereich der Umwelt-DNA- (eDNA) Analysen ist die Suche nach präziseren, effizienteren und empfindlicheren Technologien eine ständige Herausforderung.
Wissenschaftler und Forscher erproben kontinuierlich neue Wege, um die Informationen zu entschlüsseln, die in flüssigen Proben verborgen sind, sei es im Wasser, im Boden oder in anderen Umweltmatrizen.

Dank jahrelanger Erfahrung in der Entwicklung von innovativen Extraktionsmethoden konnte die IST Innuscreen neuartige Anreicherungstechnologien zur Konzentration von eDNA entwickeln, durch welche die Sensitivität bei der Erkennung, Identifikation und Überwachung von Arten in komplexen Ökosystemen signifikant erhöht wird.

Die Bedeutung von Anreicherungsmethoden in der Umweltanalytik

Bei der eDNA-Analyse handelt es sich um den Nachweis von genetischem Material, das Organismen an ihre Umgebung abgeben und bietet so einen Einblick in die Artenvielfalt eines Ökosystems.
Oft ist diese DNA aber in so geringen Konzentrationen vorhanden, dass die sprichwörtliche Suche nach der Nadel im Heuhaufen beginnt.
An dieser Stelle kommen Anreicherungstechnologien ins Spiel, die den Heuhaufen stark verkleinern und somit die Nadel leichter zu finden machen.
Traditionell erfolgt diese Anreicherung bei flüssigen Proben mittels Filtration über eine Membran, was aber verschiedene Nachteile mit sich bringt: zum einen führen Schwebeteilchen in der Probe oft zum Verstopfen des Filters, zum anderen steht der Anwender vor der Herausforderung, die gewonnene DNA quantitativ vom Filter abzulösen.
Um die mit der Filtration verbundenen Probleme zu umgehen, hat die IST Innuscreen zwei völlig neue Technologien entwickelt, mit deren Hilfe DNA, aber auch Viren, Bakterien, Exosomen und andere Biomoleküle mit geringstem Aufwand aufkonzentriert werden können.

Anreicherung mittels Polymer Mediated Enrichment

Die erste Technologie, das „Polymer Mediated Enrichment“ (kurz PME), wurde entwickelt, um sich auf die Konzentration von Viren, Bakteriophagen und frei zirkulierender DNA, einschließlich Plasmid-assoziierter DNA, die für Bakterienresistenzen verantwortlich ist, in Wasserproben zu spezialisieren.
Hierbei werden der Flüssigprobe zwei Reagenzien zugesetzt, kurz inkubiert und anschließend zentrifugiert. Die Reagenzien bilden ein Polymer (ein molekulares Netz), wodurch die Biomoleküle während der Zentrifugation pelletiert werden. Das Pellet kann anschließend in die DNA-/RNA-Extraktion eingesetzt oder für anderweitige Analysen verwendet werden.

Elektronenmikroskopie der Polymerstruktur A = 500 nm, B = 200 nm

Target Concentration Technology für eDNA Analysen

Eine weitere innovative Lösung im Bereich der Umweltanalytik stellt die „Target Concentration Technology“ (kurz TCT) dar. Ohne Filtration, Ultrazentrifugation oder langwierige Fällungsmethoden lassen sich Biomoleküle in großvolumigen Wasserproben aufkonzentrieren. Biomoleküle wie beispielsweise zirkulierende freie DNA und RNA, Viren, Bakteriophagen, Bakterien, Algen und Protozoen werden angereichert und stehen für beliebige Folgeanwendungen wie DNA-/RNA-basierte Nachweistechnologien, ELISA oder Durchflusszytometrie; Massenspektroskopie und Mikroskopie zur Verfügung.
Die Anreicherung erfolgt durch Zugabe der TCT-Beads zur flüssigen Probe und einer (je nach Probengröße) nachfolgenden individuellen Inkubation. Am Ende der Inkubationszeit wird das Gefäß mit den Beads gut geschüttelt und die restliche Flüssigkeit mit den Biomolekülen mittels einer Pipette entfernt und steht anschließend für weitere Analysen zur Verfügung.

Workflow Anreicherung der Biomoleküle mittels TCT-Beads aus flüssigen Umweltproben

Herausforderung der DNA-Extraktion aus angereicherten Proben

Bei der Aufkonzentration aus Umweltproben mit vielen Schwebstoffen wie beispielsweise Abwasser oder Teichwasser lässt sich in der Regel auch eine Anreicherung der (unerwünschten) Schwebstoffe nicht vermeiden. Umso wichtiger ist bei einer anschließenden DNA-Extraktion ein Extraktions-Kit, das speziell für Umweltproben entwickelt wurde.

Hierfür bietet die IST Innuscreen das innuSPEED Soil DNA Kit 2.0 als optimierte Lösung an, die speziell auf die Extraktion von DNA aus verschmutzten Proben zugeschnitten ist.
Um die gesamte Bandbreite an enthaltenen Mikroorganismen detektieren zu können, wird die Probe zunächst mittels Bead-Beating homogenisiert, um auch den Aufschluss von schwer zu lysierenden Bakterien zu gewährleisten. Im Anschluss wird die DNA an einen Spin Filter gebunden und über spezielle Waschpuffer von Kontaminationen gereinigt. Für besonders stark verschmutzte Proben bietet das Kit darüber hinaus die optionale Möglichkeit einer weiteren Aufreinigung nach der Elution. Die resultierende DNA kann nahtlos in einer Vielzahl nachgelagerter Anwendungen eingesetzt werden, darunter PCR, qPCR, digitale PCR oder Nanoporensequenzierung, und bietet so ein vielseitiges und leistungsstarkes Toolkit für Ihre molekularbiologischen Anforderungen.

Workflow innuSPEED Soil DNA Kit 2.0

Zusammenfassung

Der Bereich der eDNA-Analyse entwickelt sich ständig weiter, und die Entwicklung neuer Anreicherungstechnologien ist ein wichtiger Puzzlestein in diesem spannenden Forschungsgebiet. Indem wir die Leistungsfähigkeit dieser neuen Techniken nutzen, ebnen wir den Weg für eine präzisere, effizientere und umfassendere Umweltüberwachung.

Je mehr wir über unsere Umwelt lernen, desto besser können wir uns in der Zukunft vor Krankheiten schützen, invasive Spezies monitoren und detektieren sowie die Artenvielfalt unserer Umgebung besser verstehen.

Weitere Informationen

Dieser Blogbeitrag entstand mit freundlicher Unterstützung der Firma IST Innuscreen. Quelle aller Bilder: IST Innuscreen.

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