Die Wissenschaft der Mikrobiom-Analytik:DNA-Detektive nehmen die Lieferkette in Angriff

Die Art von forensischen Techniken, die Detektive seit langem zur Aufklärung von Straftaten einsetzen, können jetzt verwendet werden, um die Herkunft von Industriegütern in der Lieferkette zu ermitteln.

Phylagen ist ein in San Francisco ansässiges Datenanalyseunternehmen, das eine Plattform für die Rückverfolgung von Waren und Materialien bis zur Farm, zum Lager oder zur Fabrik entwickelt hat. Das Tool stützt sich auf Mikrobiome, einzigartige Arten von natürlich vorkommenden Mikroben, die auf der ganzen Welt vorkommen. Die in diesen Mikroben kodierten genetischen Informationen bilden das Äquivalent eines biologischen Fingerabdrucks.

Die Technologie kann auf eine Vielzahl von Produkten angewendet werden, darunter Lebensmittel, Textilien und vor allem gefälschte Waren. Datenwissenschaftler können heute beispielsweise den Staub auf einem Sportschuh untersuchen und mit Sicherheit feststellen, in welcher Fabrik er hergestellt wurde. Die Mitbegründerin und CEO von Phylagen, Jessica Green, sagt:„Das Umweltmikrobiom ist der größte unerschlossene Datensatz der Welt.“

Vor der Gründung von Phylagen war Green Professorin an der University of Oregon, wo sie sowohl genetische Kartierung als auch Mikrobiomforschung erforschte. In der Kombination dieser beiden Disziplinen untersuchte ihr Labor, wie sich verschiedene Arten von Mikroorganismen, darunter Bakterien, Pilze und Viren, von Ort zu Ort unterscheiden.

Andere Forscher hatten an einer ähnlichen Plattform basierend auf der Untersuchung von Pollen gearbeitet. Aber Green und ihr Team konnten nicht nur das Pollen-Gen sequenzieren, sondern auch andere Organismen, die es bedecken.

Das Ergebnis ist ein Werkzeug, das für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden kann, darunter die Rückverfolgung der Herkunft kontaminierter Lebensmittel bis zum Bauernhof oder der Verarbeitungsanlage, die Sicherstellung der Produktion von Materialien in autorisierten Fabriken, die Verhinderung von Fälschungen und sogar die Bekämpfung des Terrorismus.

Wissenschaftler haben die Kartierung des menschlichen Genoms im Jahr 2003 abgeschlossen. Erst vor kurzem sind die Kosten für die DNA-Sequenzierung jedoch so weit gesunken, dass sie für Hersteller und globale Lieferketten für den täglichen Gebrauch wirtschaftlich vertretbar geworden ist. Und der Preis der Technologie sinkt praktisch Woche für Woche weiter, sagt Green.

Auch die Kosten für die Hardware sinken, da sich der Bedienkomfort verbessert. Als Green Phylagen 2014 gründete, waren Handheld-Sequenzer noch nicht auf dem Markt. Seitdem ist die Größe der Geräte dramatisch geschrumpft. Gleichzeitig haben Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und beim maschinellen Lernen die Geräte intelligenter und effektiver gemacht.

Phylagen erstellt eine mikrobielle Karte, die alle genetischen Informationen anzeigt, die an Orten auf der ganzen Welt kodiert sind. Die Luft in einer bestimmten Fabrik enthält beispielsweise unsichtbare Staubpartikel, die ein einzigartiges Profil haben. Durch die Umwandlung des genetischen Materials in Sequenzdaten – im Wesentlichen eine Buchstabenfolge, die den genetischen Code aller Lebewesen bildet – generiert Phylagen einen natürlich vorkommenden Strichcode für jeden Standort.

Das genetische Material bleibt beim hergestellten Produkt auch auf dem Weg zu einem Distributionszentrum und wird in Verpackungen eingeschlossen. Für landwirtschaftliche Produkte, die einer Fermentation unterzogen werden, wendet das Unternehmen einen anderen Satz von Algorithmen an, die aus dem maschinellen Lernen abgeleitet sind. Ein Lebensmittelprodukt kann bis zum Betrieb zurückverfolgt werden – sogar zu einem bestimmten Teil dieses Betriebs –, indem das einzigartige genetische Material im Boden untersucht wird.

Green sieht auch den Einsatz von Mikrobiom-Analytik vor, um das Vorhandensein von Konfliktmineralien – beispielsweise solche, die in Teilen der Demokratischen Republik Kongo abgebaut werden – in hergestellten Produkten zu bestätigen. Ähnliche Untersuchungen könnten die Verwendung von Palmöl aufdecken, das aus nicht nachhaltigen Betrieben stammt, und Orte, an denen Menschenrechtsverletzungen begangen werden.

Green glaubt, dass der Einsatz von Mikrobiom-Analytik vergangene Tragödien wie den Einsturz des Fabrikkomplexes Rana Plaza in Bangladesch im Jahr 2013 hätte verhindern können, bei dem 1.134 Arbeiter ums Leben kamen und etwa 2.500 weitere verletzt wurden. Die Einrichtung war als nicht autorisierter und nicht bekannt gegebener Auftragnehmer für eine Reihe großer Bekleidungsmarken tätig.

Phylagen befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Im Februar kündigte das Unternehmen eine Serie-A-Finanzierung in Höhe von 14 Millionen US-Dollar an, die von mehreren Risikokapitalgebern angeführt wird. Das Geld wird für die Erweiterung des Service- und Mikrobiom-Datenbank des Unternehmens ausgegeben, sagt Green.

Phylagen lehnte es ab, seine aktuellen Kunden bekannt zu geben, sagt aber, dass sie "große nordamerikanische Marken und Einzelhändler sind, die derzeit die Lösung des Unternehmens an Produktionsstandorten weltweit einsetzen".

In ihrer jetzigen Form wird die Technologie auf Einzelhandels- und Bekleidungsartikel angewendet. Green sieht eine „enorme Chance“, mit Marken zusammenzuarbeiten, die in andere Märkte investieren, darunter Lebensmittel und Landwirtschaft. Vorerst strebt Phylagen jedoch an, seinen Einsatz bei Konsumgütern auszuweiten.

Green sieht einen weiteren Wert in der möglichen Fähigkeit der Technologie, Landwirten zu helfen, zu verstehen, welche Arten von Mikroben ihre Produkte beeinflussen. Die Informationen könnten verwendet werden, um die Qualität und Sicherheit zu verbessern, sagt sie.

Phylagen ist „auf dem besten Weg“, eine Mikrobiom-Karte der Welt zu erstellen, sagt Green. Mit der Erweiterung der Datenbank erwartet sie, dass die Technologie zusätzliche Anwendungen in der prädiktiven Risikoanalyse findet.

„Mir fällt keine Plattform ein, auf der das nicht relevant ist“, sagt sie.