Wie man sein eigenes DNA für unter 2.000 $ sequenziert

• Die Kosten der DNA-Sequenzierung sinken schneller als das Moore'sche Gesetz
• Mit dem Oxford Nanopore MinION lässt sich DNA für etwa 1.100 $ sogar zu Hause sequenzieren
• Im eigentlichen Versuch wurden die Schritte Blutentnahme, DNA-Extraktion und Sequenzierung mit Nanopore durchlaufen
• Insgesamt wurden nur etwa 13 % des gesamten Genoms abgedeckt, und die Analyse war aufgrund von Verunreinigungen, Gerätefehlern usw. eingeschränkt
• Trotz dieser Grenzen wurde ein sinnvoller Erfahrungsgewinn durch kostengünstige, partielle Sequenzierung eigener DNA erzielt

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Einleitung

• Die Kosten für DNA-Sequenzierung sind rasch gesunken. Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms, die früher 23 Milliarden Dollar und 13 Jahre kostete, lässt sich heute mit Oxford Nanopore (ca. 1.000 $) innerhalb von 48 Stunden selbst ausprobieren
• Früher mussten Proben oft an instabile Drittanbieter gesendet werden; in diesem Beitrag wird versucht, die Sequenzierung in einer Umgebung ohne eigenes Labor durchzuführen

Überblick über den DNA-Sequenzierungsprozess

• Ziel war es, aus 10 ml Blut die menschliche DNA-Sequenz aus den Basen A, C, G und T (rund 3 Milliarden Basen) zu erhalten
• Gesamtübersicht der Schritte
  • Blutentnahme
  • Extraktion menschlicher DNA aus dem Blut
  • Überführung der DNA in den Oxford-Nanopore-Sequencer und Lesen jedes Nukleotids per elektrischer Methode

Kurze Geschichte der DNA-Sequenzierung

• Sanger-Ära (1960–2003): analog, manuelle Verarbeitung, extrem langsamer Ablauf
  • Defekte Nukleotide wurden genutzt, um die DNA-Replikation abzubrechen; danach wurden die Fragmente elektrisch getrennt und wie Barcodes ausgelesen
  • Entschlüsselung des menschlichen Genoms: 13 Jahre, 2,3 Milliarden Dollar
• Illumina-Ära (2005–2010er Jahre): Parallelisierung und Automatisierung
  • Einführung einer Sequenzierung über Synthese, wodurch Geschwindigkeit und Effizienz stark verbessert wurden
• Ära der Einzelmolekül-Sequenzierung:
  • Direkte Erkennung der DNA-Basen über elektrische Nanoporen; die DNA-Fragmente müssen nicht zerkleinert werden
  • Genau diese Methode wurde in diesem Experiment eingesetzt

Benötigte Ausrüstung und Kosten

• Oxford Nanopore MinION Starter Kit (1.000 $): USB-betriebener Sequencer, inklusive Flow-Cell und Reagenzien für die Probenvorbereitung
• Zymo DNA Extraktionskit (kostenlose Probe)
• Mini-Zentrifuge (Amazon, 50 $)
• Labormaterialien (Eppendorf-Röhrchen, Lanzetten, Pipetten usw., 50 $)
• Gesamtkosten ca. 1.100 $

Detaillierte Schritte des Experiments

Schritt 1: Blutentnahme

• Etwa 200 µl (0,2 ml) Blut werden benötigt; mit einer kleinen Lanzette reichte die Menge nicht aus, daher wurde durch wiederholtes Anstechen des Fingers gesammelt

Schritt 2: DNA-Extraktion

• Im Blut gibt es viele Verunreinigungen wie rote Blutkörperchen, die kaum DNA enthalten
• Es ist nötig, die DNA nur aus den weißen Blutkörperchen zu isolieren; dafür wurden das Enzym und der Zentrifugationsfilter des Zymo-Kits verwendet
• Zusätzlich wurde der Adapter-Schritt des Nanopore-Prep-Kits durchgeführt

Schritt 3: Sequenzierung mit Nanopore

• Die vorbereitete DNA wurde in den kleinen Anschluss des MinION eingespritzt und per USB verbunden
• Die MinKNOW-Software führt ein Echtzeit-Basecalling durch und sagt mithilfe eines neuronalen Netzwerkalgorithmus aus elektrischen Signalen die Basen A, T, C und G vorher

Ergebnisse und Grenzen

• Insgesamt wurden rund 1 Gigabase an Daten in zwei Durchläufen sequenziert (etwa 13 % von rund 3 Milliarden Basen des menschlichen Genoms)
• Der erste Lauf wurde durch einen Hardwarefehler abgebrochen, die Flow-Cell war defekt (nur 623 der 2.048 Poren waren aktiv)
• Bei rund 25 % zeigte sich Verschmutzung, etwa durch Bakterien
• Für die SNP-Analyse (Single Nucleotide Polymorphism, Einzelbasen-Polymorphismus) sind mehrere Sequenzierungsrunden notwendig; die meisten Sequenzabschnitte wurden jedoch nur einmal ohne Mehrfachabdeckung gelesen
• Dennoch gelang es für nur 1.100 $ eine bedeutsame Erfahrung bei der Sequenzierung eines Teils des menschlichen Genoms zu sammeln

Danksagung

• Der Autor bedankt sich bei Freunden, die an diesem Experiment beteiligt waren

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Wir sind wohl noch nicht wirklich im „Zeitalter des Nanopore-Sequenzierens“ angekommen, und Sequenzierung durch Synthese ist weiterhin der Mainstream.

  • Das Genom muss zerschnitten, in kleine Fragmente aufgeteilt und anschließend anhand dieser wieder zusammengesetzt werden, wobei in diesem Prozess verschiedene Probleme auftreten.
  • Nanopore-Sequenzierung hat eine hohe Fehlerrate, weshalb im klinischen Alltag weiterhin synthetikbasierte Verfahren eingesetzt werden (insbesondere war Illumina in den letzten zehn Jahren technologisch herausragend).
  • Trotzdem sind Nanopore-Geräte attraktiv, weil sie klein und günstig sind; die Fehlerrate lässt sich durch wiederholtes Sequenzieren bis zu einem gewissen Grad ausgleichen.
  • Mit synthetikbasierten Technologien kann man über einen vertrauenswürdigen Anbieter für unter 1.000 Euro oder Dollar ein komplettes Genom mit 30-facher Coverage sequenzieren lassen; ich habe auch Angebote für 180 Dollar gesehen, weiß aber nicht, wie vertrauenswürdig die sind.
  • Für das vollständige menschliche Genom ist Nanopore vielleicht noch verfrüht, aber für Anwendungen wie die Plasmid-Sequenzierung ist es bereits sehr nützlich.
    • Auch ohne Branchenbezug kann ich an einer Universität einfach ein Röhrchen abgeben und am nächsten Morgen für 15 Dollar das Ergebnis per E-Mail bekommen – all das dank Nanopore-basierter Workflows.
  • Die Fehlerrate kann durch Wiederholungssequenzierung kompensiert werden, aber manchmal sind Fehler auch korreliert.
  • Insgesamt ist Short-Read-Sequenzierung deutlich kosteneffizienter; unser Startup nutzt ebenfalls Illumina für die Zelllinien-QC, und das kostet nur 260 Dollar.
  • Welche Sequenzierungsmethode geeignet ist, hängt vom Ziel ab; bei NAO wird mit großen Illumina-Flowcells (25B) kostengünstig sequenziert, um verschiedene Viren im Abwasser nachzuweisen.
    • Wenn jedoch wie bei Nasenabstrichen viele Zielviren vorhanden sind, ist Nanopore wegen der langen Read-Längen und der günstigen Run-Kosten besser geeignet.
  • Klinische Sequenzierung für kurze Reads ist bereits ausgereift genug, daher gibt es keinen Grund, dass Nanopore sie ersetzt.
  • Die Zukunft im klinischen Bereich liegt in der Erkennung mittelgroßer bis großer Varianten; dieser Bereich ist noch nicht gut erschlossen, weshalb Nanopore viel in der Forschung und bei der Diagnose seltener Krankheiten eingesetzt wird.
  • SBS (Sequenzierung durch Synthese) ist sehr zuverlässig, aber ein hoher Marktanteil bedeutet nicht, dass die technologische Entwicklung stillsteht.
    • Innovation bei der Sequenzierung findet in Bereichen wie ML, gleichzeitiger RNA-DNA-Analyse und der Kombination aus langen und kurzen Reads statt.
  • Tatsächlich wird Nanopore-Technologie auch in Diagnostiklaboren zunehmend eingesetzt, weil die Kosten für die Vorbereitung geringer sind und eine Sensitivität auf qPCR-Niveau erreicht wird.
    • Zusätzlich liefert sie vielfältigere Informationen wie etwa Methylierung.
    • Es gibt auch eine aktuelle Arbeit zur Klassifizierung akuter Leukämie mit Nanopore Originalarbeit
    • Die Zeitangaben sind zwar etwas übertrieben, aber für die Diagnostik ist entscheidend, dass es „funktioniert“.

• Ich fand diese Idee (den Artikel) interessant, war aber etwas enttäuscht wegen der Geräteprobleme und weil nach einem einzigen Versuch sofort aufgegeben wurde.

  • Dort heißt es, dass auf dem Flowcell anfangs nur 623 funktionierende Poren vorhanden waren; ich frage mich, ob das auch sonst vorkommt, und würde gern weitere ordentlich durchgeführte Versuche sehen.
  • Ich habe tatsächlich selbst etwas Ähnliches ausprobiert, allerdings mit Speichel statt Blut und mit einem Qiagen-Kit zur DNA-Extraktion.
    • Mein Nanopore-Flowcell hatte fast überall gut funktionierende Poren; vermutlich lag es in dem Artikelbeispiel an der Lagerung.
  • Je nachdem, wie man damit umgeht, kann die Zahl aktiver Poren variieren; meiner Erfahrung nach entstehen viele inaktive Poren durch die Probenvorbereitung.
    • Wenn die Probe nicht richtig vorbereitet ist, verstopfen die Poren oder ihre Aktivität sinkt.
    • Als ich früher Oxford-Nanopore-Daten analysierte, war der Qualitätsunterschied je nach Qualität der Probenvorbereitung so groß, dass man allein an den Daten erkennen konnte, welcher Kollege die Probe vorbereitet hatte.
    • Ich vermute, dass die Qualität der im „Garage“-Setup der Autoren vorbereiteten Proben eher schlecht war.
    • Zur Referenz: Ein Kollege von mir hatte sogar ein mobiles Sequenzierungslabor gebaut, das über ein Auto mit Strom versorgt wurde.
    • Auch bei ihm war der größte technische Flaschenhals die Probenvorbereitung; die Computing-Seite war nicht besonders schwierig.
  • Wenige aktive Poren würde ich nicht als „normal“ bezeichnen, aber es kommt ziemlich häufig vor.
    • Während meiner NGS-Arbeit war etwa ein Viertel aller Flowcells fehlerhaft; ONT hatte auch eine Austauschrichtlinie, wenn der Selbsttest des Cells fehlschlug.
  • Je nach Probe ist das unterschiedlich, aber normalerweise sind über 1.200 aktive Poren üblich, und mindestens 800 werden garantiert.
    • In diesem Fall wäre es also einen Versuch wert, eine Rückerstattung zu verlangen.
  • Interessant an diesem Fall war, dass er gezeigt hat, „was passiert, wenn man es tatsächlich ausprobiert“.
    • Ich habe ein wenig Erfahrung mit genetischer Genealogie und hatte ohnehin mit vielen technischen Problemen gerechnet.

• Anbieter wie Nebula oder Dante bieten Whole-Genome-Sequencing mit 30x- oder 100x-Coverage für ungefähr 300 Dollar an.

  • Tatsächlich wurde das 1.000-Dollar-Genom schon vor zehn Jahren erreicht.
  • Ich hatte mir Nebula angesehen, aber dort läuft eine Sammelklage wegen des Vorwurfs, Genomdaten an Meta, Microsoft und Google weitergegeben zu haben.
    • Auch auf Reddit gibt es viele Fälle, in denen Leute Kits eingeschickt und jahrelang keine Ergebnisse erhalten haben.
    • Es gibt auch Probleme mit der Sequenzierqualität und der False-Positive-Rate bei DTC-Genomdaten; da es bei 23andMe einen ähnlichen Vorfall gab, zögere ich, mein Genom an private Unternehmen zu schicken.
  • Der niedrigste Preis für Whole-Genome-Sequencing bei DanteLabs liegt bei 399 Euro (466 Dollar) DanteLabs-Produktlink
  • In den 2.000 Dollar sind sowohl DNA-Extraktionsgeräte als auch der Sequenzierer selbst enthalten; die Sequenzierer, die bei Nebula und ähnlichen Anbietern verwendet werden, sind wahrscheinlich Geräte für über 1 Million Dollar.
    • Wer es günstiger möchte, kann statt WGS auch Exom-Sequenzierung oder je nach Fall einfaches Genotyping nutzen.
    • Möglicherweise gibt es bereits Anbieter, die WGS für 100 Dollar ermöglichen.
  • Im Kern bedeutet das aber trotzdem, dass jemand anderes (ein Unternehmen) Eigentum oder Kontrolle über meine Genomdaten erhält.
    • Unter dem Vorwand legitimer Interessen kann damit alles Mögliche geschehen, und das Risiko, dass das Unternehmen gehackt oder verkauft wird, ist längst real.
  • Die 1.000 Dollar sind ein „Preis der Skaleneffekte“.
    • Solche Preise werden erst möglich, wenn eine gewisse Menge im großen Stil verarbeitet wird.

• Bei mynucleus.com bekommt man Whole-Genome-Sequencing für 500 Dollar nur mit einem Wangenabstrich (mit dem Rabattcode savraj10 gibt es 10 % Nachlass).

  • Kein Blut nötig, Risikoabschätzungen für mehr als 2.000 Krankheiten, und wenn auch der Ehepartner getestet wird, sind sogar Vorhersagen für künftige Kinder möglich.
  • Eine neue Finanzierungsrunde soll bald bekannt gegeben werden, der Download von Rohdaten wird unterstützt, und SOC2- sowie HIPAA-Sicherheitskonformität wird zugesichert.
  • Andererseits frage ich mich, wie verhindert werden kann, dass Genomdaten an Dritte verkauft werden, falls Nucleus insolvent wird – ähnlich wie beim Datenschutzvorfall bei 23andMe.
    • Auf der Website sehe ich keine wirklich starke Differenzierung beim Thema Datenschutz.
    • Auch Nucleus behauptet, „Daten nicht zu verkaufen“, aber 23andMe hat das ebenfalls behauptet.
    • Letztlich ist es die Realität, dass kein Unternehmen in diesem Punkt vollständiges Vertrauen bieten kann.
    • Nur um 3.000 Dollar zu sparen, sollte man gut überlegen, ob man sein Genom Nucleus anvertrauen will.
  • Für mich ist es belastender, Vertrauen an einen Dritten abzugeben, als mein eigenes Genom sequenzieren zu lassen.
    • Die im Artikel genannten 13 % Coverage sind für jede Art von Genomanalyse nutzlos; der Titel ist übertrieben.
  • Ich frage mich, welche Coverage dort tatsächlich erreicht wird.
  • Es überrascht mich, dass ein Service, der früher extrem teuer war oder Privatpersonen gar nicht offenstand, jetzt für 500 Dollar verfügbar ist.
  • Ich frage mich, ob man mit Monero bezahlen kann.

• Ich habe Nebula genutzt (jetzt nach dem Rebranding teurer), um die Genome meiner Familienmitglieder sequenzieren zu lassen, und das war ziemlich unkompliziert.

  • Im „Lifetime“-Plan habe ich FASTQ-Dateien in einem R2-Bucket gespeichert; Nebula kostet 250 Dollar plus ein 50-Dollar-Monatsabo, das man aber sofort kündigen kann.
  • Meine VCF-Datei kann man hier ansehen.
    • Eine bestimmte Variante (rs104894396) kann man in ein LLM eingeben und analysieren lassen oder bei SNPedia nachschlagen.
  • Tatsächlich haben wir auch Carrier-Screening für meine Frau und mich gemacht, allerdings auf anderem Weg und nicht über Nebula.
    • Es wurde bestätigt, dass wir beide ein mit dem GJB2-Gen verbundenes Gen für Hörverlust tragen, deshalb ließen wir auch die Embryonen unserer Kinder sequenzieren, um ein gesundes Kind zu bekommen.
  • Falls jemand ein reales Beispiel für Genomdaten sehen möchte, kann mein Datensatz als Testdatei dienen (ich bin männlich, daher lassen sich auch chrY-Varianten prüfen).
  • Ich habe auch Dante ausprobiert und wollte die Ergebnisse beider Anbieter vergleichen.
    • Bei Dante war es umständlich, weil die Zuordnung zwischen Sequenz und Nutzer anders organisiert war (Code musste separat aufbewahrt werden).
    • Auf Anfragen kam nie eine Antwort, daher weiß ich nicht, wie dort operativ gearbeitet wird.
  • Nanopore-Technologie ist ebenfalls wirklich spannend, aber ich habe auf Twitter auch von Problemen mit der Qualitätskontrolle der Geräte gelesen.
    • Irgendwann würde ich das gern einmal mit dem Genom meiner Tochter vergleichen.
  • Interessanterweise hast du CYP11B1 rs4541(g;a), vielleicht mochtest du deshalb Lakritz nicht.
    • Du hast auch CYP17A1 −34 T>C, rs743572(A;G).
    • Je nach gesamter Genkombination können sich unterschiedliche körperliche oder Verhaltensmerkmale zeigen.
    • Zum Beispiel könnten Untergewicht, Angst, Akne im Jugendalter, orthostatischer Schwindel, Salzhunger oder Schlafstörungen wahrscheinlicher sein.
    • Es könnte auch eine Tendenz zu Mangel an Vitamin D, Magnesium oder B-Vitaminen bestehen, was verschiedene körperliche und neurologische Symptome verursachen kann (TMJ, Muskelkrämpfe, Kurzsichtigkeit usw.).
    • Aus bestimmten Genen lassen sich auch Vorlieben für strategische Brettspiele, die Wahrscheinlichkeit von Linkshändigkeit, Intelligenz, Schlafmuster oder visuelle Begabung ableiten.
    • Aber eine einzelne Genvariante erklärt nicht das Ganze, und Ernährung sowie Lebensstil sollten immer mit einem Arzt abgestimmt werden (ich bin kein Arzt, sondern ein Programmierer, der sich hobbymäßig intensiv mit Biologie und Genomik beschäftigt).
  • Ich frage mich wirklich, warum man so großzügig damit ist, seine komplette DNA offenzulegen.

• Leider wird das MinION Starter Kit für 1.000 Dollar derzeit nicht mehr verkauft, und der im Artikel verlinkte Link führt inzwischen zu einem 404.

  • Jetzt beginnen MinION-Produkte inklusive Flowcell erst bei 4.950 Dollar.

• Wenn ich DNA-Sequenzierung machen würde, dann nur, wenn ich die Geräte kaufe und alles vollständig offline selbst handhabe – sonst würde ich es auf keinen Fall tun.

  • Ich würde damit nicht nur mir selbst, sondern auch meinen künftigen Nachkommen und Blutsverwandten potenzielle Risiken aufbürden.
  • Das Worst-Case-Szenario ist weitaus gravierender, als die meisten sich vorstellen.
    • Außerdem ist die Vorhersagekraft für Gesundheit ohne epigenetische Daten fast gleich null.
    • Im Gegenteil könnte es durch Angst oder Nocebo-Effekte sogar gesundheitlich schaden.
    • In der Praxis taugt es nur zur Bestätigung einer ärztlichen Diagnose, und das ist auch der sicherere Weg.

• Ich fand die Idee lustig, einen elektrischen Wasserkocher als Ersatz für einen PCR-Thermocycler zu verwenden.

  • So ähnlich gab es tatsächlich Zeiten, in denen DNA vervielfältigt wurde, indem man zwischen Behältern mit heißem Wasser wechselte.
  • Wenn man nur weiße Blutkörperchen aus dem Blut extrahiert und dann sequenziert hätte, wären die Ergebnisse vielleicht besser gewesen, aber mit Blutlanzette und Mini-Ausrüstung ist das nicht einfach.
    • In einem Biologie-Einführungskurs Anfang der 2010er habe ich manuelle PCR mit Wasserbädern und Eieruhr erlebt.
    • Als ich später einen echten Thermocycler benutzt habe, wurde mir der Wert dieser Geräte noch viel deutlicher.

• Ich würde gern Daten nach der Grafik (2001–2015) sehen, die zeigt, dass die Sequenzierungskosten schneller gefallen sind als nach Moore’s Law.

  • Ich finde nur Charts bis 2021, und seit 2015 scheint der Fortschritt eher langsamer geworden zu sein.
  • Wenn Nanopore zuverlässiger wird, könnte es wieder einen disruptiven Sprung geben.
  • Die Grafik beginnt zwar 2001, aber ich war Mitte der 90er am EMBL an der Entwicklung von Dünnfilm-Elektrophorese-Sequenzierern beteiligt.
    • Damals waren ein paar Hundert Basen pro Tag das Maximum.
  • Offenbar hat NHGRI diese Darstellung laufend aktualisiert, aber nach 2022 wegen Finanzierungsproblemen gestoppt.
    • Wenn man es genau betrachtet, scheint das 100-Dollar-Genom innerhalb der nächsten fünf Jahre durchaus möglich.

• Dante und Nebula haben keinen besonders guten Ruf, und bei ySeq beträgt die Wartezeit acht Monate.

  • Auch das in diesem Artikel vorgestellte Nanopore-Gerät funktioniert nicht richtig.
  • Im Jahr 2025 ist es in Europa offenbar nicht einfach, mein Genom sequenzieren zu lassen.