Wie weit ist die Genomik-Revolution im Jahr 2023 fortgeschritten?

Originaltitel: 70. Jahrestag der Entdeckung der DNA-Doppelhelixstruktur und 20. Jahrestag der Fertigstellung des Humangenomprojekts

Wie weit ist die Genomik-Revolution im Jahr 2023 fortgeschritten?

Am 25. April 2023 jährt sich die Entdeckung der DNA-Doppelhelixstruktur zum 70. Mal. Diese Entdeckung der Wissenschaftler vor 70 Jahren führte die biologische Forschung in das molekulare Zeitalter. Die DNA, die die genetische Information des Lebens trägt, vermittelt das Geheimnis des sich ständig verändernden und endlosen Lebens der biologischen Welt in einer so schönen Form im Nanobereich.

Auch für die Geschichte der Biowissenschaften ist das Jahr 2023 von besonderer Bedeutung. Vor 80 Jahren hielt der Nobelpreisträger für Physik Erwin Schrödinger eine Rede mit dem Titel „Was ist Leben?“, die eine große Zahl von Physikern dazu bewegte, sich den Biowissenschaften zu widmen. Vor 20 Jahren arbeiteten Wissenschaftler aus sechs Ländern, darunter den Vereinigten Staaten, Großbritannien, Japan, Frankreich, Deutschland und China, nach Jahren harter Arbeit zusammen, um die Sequenzkarte des menschlichen Genoms fertigzustellen, was zugleich einen Meilenstein in der Geschichte der Biowissenschaften darstellte.

80 Jahre, 70 Jahre, 20 Jahre sind vergangen. Wie weit ist die Genomik-Revolution fortgeschritten? Welche Position nehmen die relevanten Bereiche Chinas im Weltgeschehen ein? Welche Bedeutung hat die „Entschlüsselung des Lebens“ und welche Branchentrends bringt sie mit sich? Reporter des Xinhua Daily Telegraph führten Dialoge mit einer Reihe maßgeblicher Experten und Wissenschaftler zu zahlreichen aktuellen Themen.

„Die Geheimnisse des Lebens sind komplizierter als wir dachten, aber wir haben einen Weg gefunden.“

Ohne die Entwicklung der genetischen Forschung und ausgereifter Genanalyse-Technologien hätten die Menschen nicht auf die Idee kommen können, dass Elefanten und Maulwürfe eine Familie bilden, Wale und Flusspferde eng miteinander verwandt sind, Kaninchen viel näher mit dem Menschen als mit der Maus verwandt sind und der genetische Unterschied zwischen Mensch und Schimpanse nur 1,6 % beträgt.

Überall am Himmel, in den Ozeanen, Wüsten und Wäldern dieses Planeten blüht Leben, doch das Verständnis der Menschen für seine Geheimnisse ist noch immer so groß wie das eines Kindes, das gerade seine Augen geöffnet hat, um die Welt zu sehen.

Reporter: Welche Bedeutung haben die Entdeckung der DNA-Doppelhelixstruktur und der Abschluss des Humangenomprojekts?

He Lin (Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften): Die Auswirkungen und der Wert dieser Ereignisse auf die Menschheit und die wissenschaftliche Gemeinschaft können als epochal bezeichnet werden.

Nehmen Sie als Beispiel den Vorschlag zur DNA-Doppelhelixstruktur vor 70 Jahren. Damit wurde im Wesentlichen das Zeitalter der Molekularbiologie eingeläutet und die genetische Forschung konnte tief in die molekulare Ebene vordringen, um „das Leben zu entschlüsseln“. Seitdem ist den Menschen die Zusammensetzung und die Übertragungswege genetischer Informationen klar bekannt. In den folgenden 70 Jahren schossen verschiedene Disziplinen, allen voran die Molekulargenetik, wie Pilze nach dem Regen aus dem Boden. Die Geheimnisse des Lebens wurden nach und nach aus molekularer Sicht klar erklärt und die DNA-Rekombinationstechnologie wurde stark gefördert, was Forschung und Anwendung im Bereich der Biotechnik ermöglichte.

Yang Huanming (Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften): Ich war vor etwa 20 Jahren wirklich glücklich, als ich den Entwurf des menschlichen Genoms erhielt, denn das war ein historischer Fortschritt. Es enthüllte viele Geheimnisse der Menschheit und ist das gemeinsame Erbe und der gemeinsame Reichtum der gesamten Menschheit.

Gleichzeitig wird mir vor der Skizze auch deutlicher, wie oberflächlich unser Verständnis der Biologie ist. Wir stehen auf den Schultern unserer Vorgänger und an einem neuen Ausgangspunkt. Vor uns liegt eine größere Welt und weitere Wegkreuzungen. Die Geheimnisse des Lebens sind komplizierter als wir dachten, aber wir haben einen Weg gefunden.

Yin Ye (CEO der BGI Group): Das Humangenomprojekt, das Manhattan-Atombombenprojekt und das Apollo-Mondlandungsprojekt gelten als die drei größten wissenschaftlichen Projekte des 20. Jahrhunderts. Diese drei großen wissenschaftlichen Projekte haben einen Paradigmenwechsel in der Entwicklung der Naturwissenschaften und der Biowissenschaften vorangetrieben, vom ursprünglichen Modell kleiner, von persönlichen Interessen und Hypothesen geleiteter wissenschaftlicher Operationen hin zu einem Modell großer, von Big Data und Plattformen geleiteter wissenschaftlicher Projekte.

Der Erfolg des Humangenomprojekts ermöglichte es den Menschen erstmals, vollständige Informationen über die Struktur und Sequenz ihres eigenen Genoms zu erhalten und so einen „Navigator“ für eine große Zahl genetischer Studien bereitzustellen.

„Die Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms sind von über 3 Milliarden Dollar vor 20 Jahren auf 100 Milliarden Dollar heute gesunken.“

Das Humangenomprojekt wurde 1985 vorgeschlagen und 1990 offiziell gestartet. Anfangs beteiligten sich fünf Industrieländer, nämlich die Vereinigten Staaten, Großbritannien, Frankreich, Deutschland und Japan. Im November 1997 nahmen junge und mittelalte Genetiker, darunter Wang Jian, Yu Jun, Gu Jun, He Fuchu, He Lin, Zeng Yixin, Gu Dongfeng und Yang Huanming, am Symposium junger Genetiker der Chinesischen Gesellschaft für Genetik teil und versammelten sich in Zhangjiajie, Hunan. Während der mehrtägigen Treffen legten sie ihr Ziel fest: Sie wollten versuchen, 1 % der Sequenzierungsaufgaben zu erledigen und den letzten Zug des Humangenomprojekts zu erwischen.

Die 3.000 seltsamen Gipfel von Zhangjiajie erheben sich majestätisch und die 800 wunderschönen Flüsse fließen wie gewohnt, aber der Traum, der sich in dieser Zeit zusammenbraute, und die anschließenden Anstrengungen aller Beteiligten haben China zum einzigen Vertreter eines Entwicklungslandes in diesem großen Plan gemacht, der die Menschheit betrifft. Wissenschaftler aus sechs Ländern arbeiteten zusammen, um dieses Kunststück zu vollbringen und bauten den Geist des „Teilens, Beitragens und Teilens“ des menschlichen Genoms auf, womit sie den Grundstein für die spätere Entwicklung der Genwissenschaft legten.

Die einzigartigen Gipfel und wunderschönen Gewässer von Zhangjiajie sind selbst eine Fundgrube biologischer Gene und China ist auch eines der Länder mit der reichsten Artenvielfalt. Angetrieben durch das „1%“-Projekt ist die inländische Sequenzierung der Genome von Geflügel, Vieh, Nutzpflanzen, Pilzen, Bakterien, Viren, Parasiten und anderen Nutzorganismen in vollem Gange.

Reporter: Welche Geheimnisse sind in der DNA verborgen? Wie hat sich die Forschungssituation der Genomik in China bisher verändert?

He Lin: DNA kann sich selbst genau replizieren und so die genetische Kontinuität zwischen Eltern und Nachkommen aufrechterhalten. es kann die Proteinsynthese steuern, Stoffwechselprozesse und die Merkmalsentwicklung kontrollieren; und unter bestimmten Bedingungen kann es zu vererbbaren Mutationen kommen. Es ist der Beginn der Entschlüsselung des Lebens.

Im Vergleich zu vor 20 Jahren hat sich Chinas internationales Ansehen in der Genomforschung deutlich verbessert und seine Fähigkeit, mit seinen Kollegen auf der ganzen Welt zu konkurrieren, ist enorm gestiegen. Allerdings handelt es sich hier um ein wettbewerbsintensives Feld, und eine „Führungsposition“ ist nicht unbedingt garantiert. Darüber hinaus hat sich die Gentechnikindustrie in meinem Land rasch entwickelt und auch die wirtschaftlichen Vorteile, die sie mit sich gebracht hat, sind beträchtlich.

He Fuchu (Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften): Der größte Beitrag des Humangenomprojekts besteht darin, dass es die Entwicklung der Möglichkeiten zur Nukleinsäuresequenzierung über das Mooresche Gesetz hinaus gefördert hat, was wiederum zu einem Paradigmenwechsel in der von der Genomik getriebenen biomedizinischen Forschung geführt hat. Heute hat die Genomik ihr „reifes Stadium“ erreicht.

In anderen Bereichen der Biowissenschaften hat die Proteomik noch mit Wachstumsschmerzen zu kämpfen und die Metabolomik steckt noch in den Kinderschuhen. Obwohl wir bereits in das Genom-Zeitalter eingetreten sind, erwarten wir dennoch den Beginn des Multi-Omics- oder Life-Omics-Zeitalters.

Xu Xun (Präsident des Shenzhen BGI Life Sciences Institute): Die Kosten für die Sequenzierung eines menschlichen Genoms sind von über 3 Milliarden US-Dollar vor 20 Jahren auf 100 US-Dollar heute gesunken, ein Rückgang um 7 Größenordnungen. Zeitlich gesehen hat sich die Zeitspanne von mehreren Jahren auf einen Tag verkürzt. Durch die technologische Entwicklung ist die Genomsequenzierung immer einfacher geworden.

Betrachtet man Chinas Entwicklung im Bereich der Genomik in den letzten 20 Jahren aus globaler Perspektive, kann man sagen, dass es von der Teilnahme zur Synchronisierung übergegangen ist. In einigen Bereichen hat mein Land eine unabhängige Kontrolle erreicht, beispielsweise bei Sequenzern. Die Sequenzer meines Landes sind in puncto Durchsatz, Genauigkeit und Kosteneffizienz weltweit führend und haben weltweite Anerkennung gefunden. Allerdings besteht bei Einzelmolekül-Langfragmentsequenzern und anderen Technologien noch Aufholbedarf.

Gleichzeitig muss jedoch auch beachtet werden, dass mein Land derzeit noch auf Importe für High-End-Massenspektrometrie zur Proteomerkennung, Kryo-Elektronenmikroskopie zur Proteinstrukturanalyse und die meisten wichtigen Testkits für die Biowissenschaften angewiesen ist. Wir müssen dringend eine solide Grundlage für die Biowissenschaften schaffen, die unabhängige Kontrolle hochentwickelter wissenschaftlicher Forschungsgeräte und zentraler Quellenwerkzeuge weiter vorantreiben, die kontinuierliche Weiterentwicklung inländischer Geräte fördern und uns kontinuierlich wichtige Kerntechnologien aneignen.

Drei große Trends in der Genomikbranche

In der Branche herrscht Einigkeit darüber, dass es in der Genomikbranche drei große Trends gibt: Präzisionsmedizin, Landwirtschaft der Zukunft und Bioproduktion.

Mit der heutigen Medizintechnik können wir über 7.000 genetische Erkrankungen erkennen, aber weniger als 300 davon diagnostizieren. In der Präzisionsmedizin besteht noch großer Entwicklungsspielraum. Durch die Verbesserung der Gene von Mikroorganismen im Boden kann Reis in der Wüste angebaut werden. Die Bioproduktion bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Medizin, Arzneimittel, Landwirtschaft, Materialien, Umwelt und Energie.

Reporter: Welche Veränderungen haben die Umsetzung einer Reihe von Genomikprojekten und die Entwicklung von Proteomen, Transkriptomen usw. in verschiedenen Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft und Energie gebracht?

He Fuchu: Das Humangenomprojekt und die darauffolgende erfolgreiche Genomforschung führten zum Konzept der „Präzisionsmedizin“ und eröffneten die klinische Praxis der personalisierten Medizin. Allerdings ist es schwierig, eine „Präzisionsmedizin“, die sich ausschließlich auf die Genomik stützt, wirklich populär zu machen. Um dieses Problem zu lösen, haben chinesische Wissenschaftler einen anderen Ansatz gewählt und eine auf der Proteomik basierende Präzisionsmedizin entwickelt.

Beispielsweise kann mein Labor Tumore desselben pathologischen Typs durch eine Big-Data-Analyse des Proteoms von Patientenproben mit hepatozellulärem Karzinom weiter in drei molekulare Subtypen unterteilen. Die Einteilung der Subtypen hängt eng mit der Prognose zusammen. Anschließende translationale Forschung wird derzeit durchgeführt, in der Hoffnung, dass mehr Patienten mit hepatozellulärem Karzinom davon profitieren werden.

Xu Xun: Präzisionsmedizin ist im Wesentlichen die Nutzung von Multi-Omics-Technologie mit dem Genom als Kern zur Analyse, Identifizierung, Überprüfung und Anwendung von Biomarkern großer Stichprobenpopulationen und Krankheiten, um die Krankheitsursache und das Behandlungsziel genau zu ermitteln, eine personalisierte Präzisionsbehandlung zu erreichen und die Wirksamkeit der Krankheitsdiagnose, -behandlung und -prävention zu verbessern.

In der Landwirtschaft der Zukunft kann durch maßgeschneiderte Präzisionszüchtung mittels Genomsequenzierung eine Anpassung an die Bedürfnisse unterschiedlicher Anbauumgebungen und unterschiedlicher landwirtschaftlicher Produkte erfolgen.

Im Bereich der Bioherstellung können mithilfe von Technologien zum Lesen und Schreiben des Genoms, wie etwa der synthetischen Biologie, die Produktion und Herstellung von Materialien, wichtigen Arzneimittelbestandteilen, Energie usw. durch Methoden wie die biologische Fermentation erreicht werden.

Wu Liwen (Arzt und Leiter der Abteilung für Neurologie am Hunan-Kinderkrankenhaus): Als Kliniker habe ich das Gefühl, dass sich die Genomik sehr schnell entwickelt. Viele heute schwer zu diagnostizierende Krankheiten konnten vor zwölf Jahren nicht diagnostiziert werden oder wurden sogar falsch diagnostiziert.

Ich habe einmal ein 8-jähriges Mädchen behandelt, das eine verzögerte motorische Entwicklung aufwies und beim Gehen, Laufen und Treppensteigen Schwächen hatte. Später musste sie zur Schule getragen werden. Ihr Zustand war morgens nach dem Aufstehen oder nachmittags besser und wies Schwankungen auf. Wir gingen davon aus, dass sie eher an einem kongenitalen myasthenischen Syndrom als an Myasthenia gravis litt, und führten daher gezielte genetische Tests bei ihr durch. Die Ergebnisse zeigten, dass es sich um eine fluktuierende Myasthenia gravis handelte, die durch eine Genmutation verursacht wurde. Nach dem heutigen medizinischen Stand gibt es für diese Erkrankung sehr gute Behandlungsmöglichkeiten. Sie kann jetzt gehen, rennen und springen und ein normales Leben führen.

Die rasante Entwicklung der Genomik in den letzten Jahren ist zudem untrennbar mit den allgemeinen Fortschritten in den Bereichen Instrumentierung, Maschinen und Materialwissenschaften verbunden. Der klinischen Forschung sollte die wissenschaftliche Grundlagenforschung vorausgehen, und die klinische Praxis wird dann in die technologische Iteration einfließen. Wenn es in der Präzisionsmedizin zu einem Durchbruch kommt, können viele große Probleme für Familien gelöst werden.

Yin Ye: Schätzungen zufolge ist das Input-Output-Verhältnis des Humangenomprojekts enorm: Eine Investition von 3,8 Milliarden US-Dollar bringt Erträge in Höhe von mehreren hundert Milliarden Dollar. Darüber hinaus hat die rasante Entwicklung dieser Technologie zu einer raschen, koordinierten Entwicklung der Physik, Chemie, Mathematik und Informationstechnologie geführt und umfassende Durchbrüche in der Präzisionsmedizin, der öffentlichen Gesundheit, der modernen Landwirtschaft, im Energie- und Umweltschutz sowie in der Biodiversität ermöglicht.

In der Medizin ist die bekannteste Anwendung der nicht-invasive pränatale genetische Test, der Anomalien in der Chromosomenstruktur des Fötus durch das periphere Blut der schwangeren Frau erkennen kann. Dadurch wird das Auftreten einer großen Zahl von Geburtsfehlern, einschließlich des Down-Syndroms, verhindert und unzähligen Familien ermöglicht, sich von einer „genetischen Tragödie“ zu verabschieden.

In der Landwirtschaft begann man nach der Fertigstellung des Entwurfs des Humangenomprojekts mit der Entschlüsselung der Genome einer großen Zahl wichtiger Nutzpflanzen. Das repräsentativste Anbauprodukt Chinas ist Reis. Wir waren die ersten auf der Welt, die die Rahmenkarte und die detaillierte Karte des Reisgenoms fertiggestellt haben, und haben damit unsere Position in der asiatischen Genomik gefestigt. Im Jahr 2018 einigte sich das Magazin Nature nach aktiven Bemühungen chinesischer wissenschaftlicher Forschungsteams darauf, dass die Namen der beiden wichtigsten angebauten Reissorten nicht mehr „Japan“ und „Indica“ lauten sollten, sondern in „geng (粳)“ und „xian (籼)“ geändert werden sollten. (Reporter Wang Ruochen und Zhang Ge)