Illumina vs. Oxford Nanopore Technologies: Zwei komplementäre Sequenzierplattformen für die moderne taxonomische Analyse mikrobieller Gemeinschaften

Mit Illumina und Oxford Nanopore Technologies (ONT) stehen zwei etablierte Technologien zur Verfügung, die sich in Funktionsprinzip, Datenqualität und Informationsgehalt unterscheiden, sich aber in vielen Projekten ideal ergänzen.

Das Schweizer Unternehmen Microsynth, einer der führenden Sequenzierdienstleister Europas, arbeitet seit vielen Jahren mit beiden Plattformen. Die Erfahrung zeigt: Eine klar definierte Zielsetzung ist entscheidend, um die Sequenzierplattform zu wählen, die sowohl den wissenschaftlichen Anforderungen als auch den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen gerecht wird.

Illumina ist weiterhin eine der führenden Plattformen im Next‑Generation-Sequencing. Die Sequencing‑by‑Synthesis-Technologie erzeugt hochpräzise Kurzreads, wahlweise im Single- oder Paired-End-Modus. Technisch sind Readlängen von bis zu 300 Basen pro Read möglich. In der Praxis werden meist Paired-End-Reads von 2 x 150-300 Basen eingesetzt, wodurch eine Markerregion von etwa 500 bis knapp 600 Basen abgedeckt werden kann.

Stärken von Illumina in der Amplikon-Sequenzierung:

• Sehr hohe Datenqualität mit minimalen Fehlerraten
• Hoher Probendurchsatz und kosteneffiziente Analyse grosser Samplezahlen
• Breite Auswahl an etablierten Markerregionen
• Optimierte und standardisierte Bioinformatik-Pipelines
• Stabile, reproduzierbare taxonomische Profile bis auf Genus-Ebene

Limitationen:
Da Illumina nur verkürzte Abschnitte der Marker-Gene erfasst, ist die taxonomische Auflösung, insbesondere bei eng verwandten Arten oder Stämmen, begrenzt.

ONT ist führend in der Full-length-Marker-Sequenzierung. Die Nanopore-Sequenzierung basiert auf einem grundlegend anderen Sequenzierprinzip: DNA-Moleküle passieren Nanoporen, wobei charakteristische Stromsignale entstehen, die in Nukleotidsequenzen übersetzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Generierung von Reads von mehreren Kilobasen Länge, was ideal für die vollständige Sequenzierung von Marker-Genen wie 16S rRNA, 18S rRNA oder der kompletten ITS-Region ist.

Stärken von ONT in der Amplikon-Sequenzierung:

• Full-length-Sequenzierung von Marker-Genen
• Ideal für die detaillierte Charakterisierung einzelner Proben
• Erfassung komplexer Markerregionen mit variablen Längen (Polymorphismen)
• Hohe Genauigkeit bei phylogenetischer Einordnung durch vollständige Sequenzinformationen
• Auflösung bis auf Spezies- oder Stammebene

Limitationen:
Weniger ökonomisch bei sehr hohen Probendurchsätzen und teilweise noch limitierte Referenzdatenbanken für vollständige Marker-Gene.

Im Überblick: Welche Plattform für welche Fragestellung?

Illumina – ideal, wenn:

• Grosse Samplezahlen sequenziert werden sollen
• Verkürzte Markerregionen (z.  16S V3/V4, ITS2) ausreichend Information liefern
• Stabile relative Abundanzen und hohe Sequenziertiefe entscheidend sind
• Eine taxonomische Auflösung auf Genus-Ebene genügt

ONT (Nanopore-Sequenzierung) – ideal, wenn:

• Die tiefgehende Charakterisierung einzelner Proben im Fokus steht
• Vollständige 16S, 18S oder ITS-Sequenzen benötigt werden
• Längen-Polymorphismen oder komplexe Markerstrukturen analysiert werden sollen
• Eine möglichst hohe taxonomische Auflösung angestrebt wird

Fazit: Zwei Technologien, unterschiedliche Stärken
Die Praxis bei Microsynth zeigt klar: Illumina und ONT sind keine konkurrierenden, sondern komplementäre Sequenzierplattformen. Illumina liefert hochpräzise Kurzreads und robuste quantitative Informationen und eignet sich damit besonders für gross angelegte Studien. ONT hingegen ermöglicht die Analyse vollständiger Marker-Gene und bietet dadurch eine deutlich höhere taxonomische Auflösung.

Theoretisch lassen sich die Stärken beider Technologien kombinieren, um sowohl die Breite als auch die Tiefe mikrobieller Diversität abzubilden. In der praktischen Anwendung wird jedoch in der Regel – nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Gründen – je nach Fragestellung und Zielsetzung bewusst eine der beiden Technologien gewählt. Eine fundierte Methodenwahl ist daher entscheidend, um valide und aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Weiterführende Informationen zu Sequenzierdienstleistungen und Amplikon-Sequenzierung finden Sie direkt bei Microsynth.