Sequencing by Expansion (SBX) Science-Fiction trifft Realität: Wie Roche mit SBX die Nanoporen-Sequenzierung neu denkt

Ein komplettes menschliches Genom in nur vier Stunden bestimmen – was vor wenigen Jahren noch wie Science-Fiction klang, entwickelt Roche mit der SBX-Technologie heute zur industriellen Realität. PROCESS hat mit Dr. Roland Thiele (Leiter Chemieproduktion) und Dr. Dieter Heindl (Leiter Chemical Rare Reagents) über den Baufortschritt eines neuen Laborgebäudes für die SBX-Technologie, die Herausforderungen bei der chemischen Produktion der benötigten Einsatzstoffe und die Rolle von Roche in Penzberg als Innovationsstandort gesprochen.

Wenn Roche in Penzberg über Nanoporen-Sequenzierung spricht, treffen Historie und Zukunft an einem besonderen Ort aufeinander: einem ehemaligen Bergwerk. Dort, wo früher Pechkohle gefördert wurde, entsteht heute im Biotechnologiezentrum von Roche ein neues Gebäude für die Produktion von chemischen Einsatzstoffen für die SBX-Technologie. Diese brandneue Technik bezeichnen Sequenzierexperten als Sequencing by Expansion. Das Argument für einen der größten integrierten Standorte im Konzernverbund ist klar formuliert: Nähe schafft Synergie. Penzberg bietet eine enge Verzahnung von Forschung, Entwicklung und Produktion. Dadurch entstehen kurze Wege zwischen den Fachbereichen und Abteilungen.

Bergwerk trifft modulares Laborgebäude

In Stahlmodulbauweise entsteht ein neues, zweigeschossiges Produktionsgebäude: 833 Quadratmeter Laborfläche sowie 630 Quadratmeter für eine Technikzentrale im ersten Obergeschoss. Und das auf einer besonderen Fläche – dem ehemaligen Nonnenwaldschacht des alten Penzberger Pechkohlebergwerks, heute geflutet und mit Beton verfüllt. Das Bauprojektteam verfolgte einen Ansatz, der die Vorfertigung von Gebäudemodulen ermöglichte, während parallel die Baufläche vorbereitet, befestigt und betoniert wurde. Dadurch konnte die gesamte Bauzeit erheblich reduziert werden, denn in der zweiten Jahreshälfte 2026 sollen die zukünftigen Nutzer bereits in den Neubau eingezogen sein. Roche investiert rund 40 Millionen Euro in das Projekt – eine vergleichsweise kleine Summe zu anderen Bauprojekten am Standort Penzberg, aber mit hoher strategischer Bedeutung.

SBX schließt Lücke im Roche-Portfolio

2020 übernahm Roche das US-Start-up Stratos Genomics, das die SBX-Technologie erfunden hat. Die Akquisition war der Startpunkt für eine der ambitioniertesten Technologie-Integrationen der letzten Jahre im Konzern.

Roche ist im Sequenziermarkt bereits vertreten – jedoch bislang ohne eigene Sequenzierplattform. Die bestehenden Bausteine reichen von „KAPA-Reagenzien“ und „AVENIO Edge“ für die Probenvorbereitung über „AVENIO-Assays“ für Liquid Biopsy bis hin zu ctDNA-Analytik. Damit stellt Roche bereits heute große Teile einer integrierten Sequenzierlösung bereit – nur das zentrale Element, eine eigene Sequenzierplattform, fehlte zuletzt. Mit der Übernahme von Stratos Genomics eröffnet sich daher für Roche die Möglichkeit, eine hocheffiziente Sequenzierplattform auf den Markt zu bringen.

DNA & Sequenzierung

Um die Bedeutung von SBX einzuordnen, hilft ein Blick auf die Prinzipien der DNA-Sequenzierung. Die Desoxyribonukleinsäure (DNS im Deutschen oder DNA im Englischen) ist der genetische Bauplan aller Lebewesen. Sie besteht aus zwei komplementären Strängen, die eine Doppelhelix bilden. Die Erbinformation ist in der Abfolge von vier Basen (Nukleotiden) codiert: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Unter Sequenzierung versteht man das Lesen der Abfolge der vier Nukleotide A, C, G und T in einem DNA-Strang. Große Sequenzierparadigmen sind beispielsweise:

• Sanger-Sequenzierung: erste Sequenziertechnik nach dem Kettenabbruch-Verfahren;

• Next-Generation Sequencing (NGS): Messverfahren, die Millionen Fragmente parallel auslesen;

• Nanoporen-Sequenzierung: modernes NGS-Verfahren; DNA wird durch eine winzige Pore gezogen, wobei die einzelnen Basen ein messbares, individuelles Signal erzeugen. Anhand dieser Signale wird die Basensequenz gelesen und kann mit Software-Algorithmen ausgewertet werden.

Sequenzier-Daten sind heute unverzichtbar – in der medizinischen Diagnostik, der Forensik sowie in der Erforschung von Evolution und Biodiversität.

Das Prinzip hinter SBX: Chemie löst physikalische Limits

Kern der SBX-Technologie ist ein Umweg, der vieles einfacher macht: Roche misst nicht die dicht gepackte DNA direkt in der Nanopore, sondern ein synthetisches Analogon – das Xpandomer. Sogenannte X-NTPs sind die entscheidenden Bausteine, die zum Aufbau des Xpandomers benötigt werden. Ein speziell entwickeltes Polymerase-Enzym verknüpft diese entlang der ursprünglichen DNA so, dass die Information der gegenüberliegenden DNA-Base erhalten bleibt. Es entsteht ein etwa 50-fach verlängertes Molekül. Aus jeder kleinen Base wird so ein klar detektierbarer Reporter, der beim Durchtritt durch die Pore ein individuelles Signal erzeugt. Jeder Reporter verweilt Millisekunden im Sensorbereich der Nanopore, wird dann per Spannungsimpuls weitergeschoben und der nächste Reporter liefert das nächste eindeutige Signal. Da der Sensor etwa acht Millionen Mikrotiterplatten – die jeweils eine Nanopore enthalten – umfasst, erfolgt die Messung massiv parallel und hochgradig kontrolliert. Das Ergebnis ist eine Messung von Hunderten Millionen Basen pro Sekunde.

Von ca. 2 % auf 50 % Ausbeute

Dass Sequencing by Expansion (SBX) mehr ist als ein cleveres Messprinzip, zeigt die chemische Modifikation dahinter: Die speziellen Nukleosid-Triphosphate (X-NTPs) sind chemisch modifiziert und haben eine 30-mal größere Masse als natürliche Nukleotide.

Die Herstellung der X-NTPs war mit eine der größten technischen Herausforderungen: Eine zentrale Vorstufe ließ sich anfangs nur mit etwa 2 % Ausbeute herstellen – ökonomisch wäre das untragbar. Dr. Dieter Heindl, Head of Chemical Rare Reagents in Penzberg, nannte es im Gespräch „Mission impossible“ und erklärt: „Wir haben ein neues Herstellungsverfahren entwickelt, das es bisher nicht gab. So konnten wir die Ausbeute auf 50 % steigern.“

Die zweite Herausforderung im Entwicklungsprozess war die Reinheit des Endprodukts, der X-NTPs, denn im Single-Molecule-Regime wird jede Spurverunreinigung sichtbar. „Wir haben jetzt eine absolute Spitzenreinheit, da steckt viel Know-how drin. Marktübliche DNA-Synthesizer haben wir so optimiert, dass sie jetzt den hohen technologischen Ansprüchen gerecht werden“, sagt Dr. Roland Thiele, Head of Chemistry Production bei Roche in Penzberg. Der rote Faden ist klar: Nur wenn Synthesechemie, Reinheit und Stabilität der chemischen Einsatzstoffe produktionsreif sind, lässt sich SBX skaliert anbieten.

Vier Basen = vier Räume

Für den Erfolg von SBX ist die Reinheit der X-NTPs wichtig. Aus diesem Grund war die strikte räumliche Trennung der Produktionsbereiche für die vier X-NTPs unerlässlich. Nur so lassen sich Kreuzkontaminationen vermeiden. „Mit dem neuen Gebäude sind wir in der Lage, vier verschiedene Räume für die vier individuellen X-NTPs zu haben. Dann wird in jedem einzelnen Raum auf einem Synthesizer‑Aufreinigungs‑Equipment nur dieses eine Produkt hergestellt“, sagt Thiele. Ein Reinraum sei dafür nicht nötig, wie er erklärt: „Wir haben geschlossene Systeme. Wichtig ist, dass das Produkt rein ist und nicht der Raum.“ Für die Versorgung mit Puffern und Lösungsmitteln wurde ein kleines Vorgebäude installiert, das an die Werksversorgung angeschlossen ist. Die Technikzentrale mit Heizung, Lüftung und Air Condition (HVAC) belegt eine eigene Etage im Gebäude mit zwei großen Lüftungsgeräten und Überdruckführung – flächenmäßig fast noch einmal so groß wie die Produktion.

Jahrzehnte chemisches Know-how

Seit der Grundsteinlegung 1972, als Roche Penzberg noch ein reiner Produktionsstandort war, spielen chemische Methoden eine wichtige Rolle im Arbeitsalltag. Dadurch hat sich das Know-how über viele Jahrzehnte am Standort weiterentwickelt. Auch die Festphasensynthese und die Click-Chemie – beides Kernprozesse zur Herstellung der SBX-Bausteine – sind in Penzberg fest etabliert. Mit ein Grund für die Investition in ein Laborgebäude an diesem Standort.

Der Technologietransfer zwischen Forschung und Entwicklung und Produktion ist bei Roche bewusst früh und eng angelegt. „Das ist eine ganz enge Zusammenarbeit, über Jahre hinweg“, sagt Thiele. Standardisierte Qualitäten aus der Produktionsumgebung fließen so früh in die Entwicklung zurück.

Im virtuellen Interview wird diese Nähe und Begeisterung für die SBX-Technologie spürbar. „Ein Team, das Risiken nicht scheut und sich an solche heißen Eisen ran wagt“, wie es Heindl beschreibt. Thiele ergänzt: „SBX kommt einem wirklich vor wie Science-Fiction. Wenn man sich das mal überlegt: Wir machen ein synthetisches Analogon der DNA, ziehen das mit hoher Geschwindigkeit durch eine Nanopore und lesen das Signal aus – und das millionenfach parallel.“ So wird aus tief verankertem chemischem Know-how, Produktionsexzellenz, gelebtem Team-Geist und spürbarer Faszination für die Technologie der Antrieb, mit dem die SBX-Technologie bei Roche zur nächsten Sequenziergeneration heranwächst.

Automatisierung und Produktion

Anlagenseitig laufe vieles automatisiert, erklärt Thiele: „Der Synthese- und Aufreinigungsprozess läuft auf automatisierten Anlagen rund um die Uhr.“ Für das neue Laborproduktionsgebäude sind rund 15 Mitarbeiter vorgesehen – vom Chemielaboranten bis zum promovierten Chemiker. Viele davon kommen aus der Festphasensynthese bei Roche und haben bereits internes Firmen-Know-how für die Prozesse.

13 Jahre vs. 4 Stunden

Für die erstmalige Sequenzierung des gesamten menschlichen Genoms im Human Genome Project haben Forscher aus der ganzen Welt mit der Sanger-Sequenzierung 13 Jahre – von 1990 bis 2003 – gebraucht. Bis vor kurzem dauerten umfassende genetische Tests, wie die Gesamtgenom-Sequenzierung, selbst in der schnellsten Variante viele Stunden. Mit der SBX-Technologie von Roche geht das nun deutlich schneller: Ein Forschungsteam – unter anderem vom Boston Children’s Hospital und Broad Clinical Labs und in enger Zusammenarbeit mit Roche – hat einen Arbeitsablauf entwickelt, der die Zeit für die Gesamtgenom-Sequenzierung drastisch verkürzt. Das Team sequenzierte eine Referenz-DNA-Probe in 3 Stunden und 57 Minuten, ein Weltrekord, der einen Eintrag in das Guinessbuch der Rekorde erhielt. Der Sample-to-Result-Workflow der SBX-Technologie dauert etwa vier Stunden, wobei die Sequenzierung selbst nur 20 Minuten Zeit in Anspruch nahm und die Herstellung der Xpandomers rund 90 Minuten. Die Zeit an sich ist zwar bemerkenswert, aber ihre wahre Bedeutung liegt in ihrem Potenzial, schnell genetische Antworten zu liefern.

Onkologie, Sepsis, Mikrobiom

SBX zielt klar auf klinische Bedürfnisse: Liquid Biopsy und MRD (Minimal Residual Disease)‑Monitoring in der Onkologie, schnelle Pathogenfindung zum Beispiel bei Sepsis und Mikrobiomanalysen. „Das passt 100 % zu den Kundenbedürfnissen“, sagt Heindl. „Kunden wollen genau das: Es muss einfach in der Anwendung sein, es muss schnell sein, es muss zuverlässig sein. Und das alles liefert die SBX-Technologie.“ Der Launch der Sequenzierungsplattform mit SBX-Technologie wird voraussichtlich 2026 sein, mit Anwendungen für die Forschung, also als Research Use Only.

SBX verschiebt die Grenzen dessen, was mit Nanoporen möglich ist – nicht durch bessere Informatikleistung, sondern indem die Chemie das Signal fundamental vereinfacht. Das Resultat sind hohe Geschwindigkeiten, starke Qualitätswerte und ein speziell entwickelter Produktionsansatz, der die Achillesferse – die Reinheit – industriell adressiert. Noch ist nicht alles öffentlich, aber der Weg ist abgesteckt – und das Science‑Fiction‑Gefühl weicht Schritt für Schritt dem Standardbetrieb.

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