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Residual DNA in modRNA-Based Vaccines


mRNA vaccines are considered one of the most significant biomedical developments of recent years. Billions of doses have been administered worldwide, while numerous additional mRNA-based applications are currently under development – ranging from cancer immunotherapies to vaccines against a wide variety of infectious diseases.
The public discussion over residual DNA in mRNA vaccines did not begin with a regulatory announcement or official safety warning, but rather somewhat coincidentally in the course of molecular biology sequencing work.
In early 2023, a research team led by the U.S. geneticist Kevin McKernan was working on RNA sequencing experiments that required highly purified RNA samples. As part of this work, the team used unopened vials of the COVID-19 vaccines produced by BioNTech/Pfizer and Moderna. During the analyses, the researchers came across an unexpected finding: in addition to the modified mRNA, DNA sequences were also detected in the samples.
It is well known in the pharmaceutical industry – and taken into account by regulators – that small amounts of residual DNA can technically occur in certain biotechnological manufacturing processes. What was surprising, however, was that at that time there had been little public discussion about which manufacturing processes were actually being used for large-scale production and to what extent independent analyses of the final products were available at all.
Subsequent studies by McKernan and other research groups ultimately reported the presence of residual DNA in various vaccine batches – in some cases in amounts that, according to the authors, exceeded regulatory guidelines. This sparked a scientific debate that continues to this day.
But what exactly is this all about?
The public debate quickly focused on seemingly simple questions:
Are there residual DNA – or not?
Are regulatory limits being met?
And if DNA is detectable, what biological significance would that actually have?However, on closer examination, it becomes clear that these questions are analytically much more complex than they first appear.
This is because the production of modRNA-based vaccines is already a multi-step process in which bacterial DNA templates are technically indispensable. The removal of this DNA is part of the standard purification steps in manufacturing. However, complete molecular separation in biological production processes is rarely a purely binary matter. What matters instead is:
Which fragments might remain in the final product?
In what quantity?
With what structure?
And above all:
What methods can be used to measure this reliably at all?The debate garnered additional attention following the public disclosure of discrepancies between early development methods and later large-scale industrial production. While comparatively small amounts of DNA were amplified in early clinical development phases using PCR-like methods, bacteria-based manufacturing processes were used for the subsequent billion-dose production. These processes are industrially well established and enable large-scale output, but they also come with more complex requirements for purifying biological residual components.
It was precisely this transition between different production processes that was later the subject of intense debate – partly because a large portion of the early clinical trials had still been conducted using vaccine batches produced via the original manufacturing process.
There is also another issue: The detection of residual DNA depends strongly on the methodology used.
Different laboratory groups used different digestion methods, extraction methods, PCR designs, and sequencing approaches – with results that in some cases differed significantly from one another. The discussion therefore concerns not only the measured values themselves, but also the question of how reliable and comparable these measurements actually are.
This two-part series of articles therefore does not attempt to provide hasty answers. Instead, its aim is to make the scientific and methodological background underlying the current debates understandable.
The first part describes the manufacturing and purification processes of modRNA-based vaccines:
How is the mRNA produced?
Why are bacterial DNA templates needed?
What byproducts are generated during production?
And what methods are used to remove unwanted residual components?The second part then focuses on the analytical perspective:
How can residual DNA be detected in the first place?
What is the interpretive value of qPCR, Qubit, or sequencing methods?
Why can different measurement techniques lead to different results?
And what do the independent studies published to date actually show?It becomes clear that a distinction must be made between analytical detection and biological assessment. Many questions are still scientifically unresolved – such as the native fragment distribution of residual DNA, the possible role of RNA, or the biological relevance of specific sequence elements under real physiological conditions.
This is precisely why the debate ultimately touches on a fundamental scientific question:
How does modern biomedicine deal with uncertainty, detection limits, and methodological complexity – especially in the context of novel biological technologies?
The following two parts are intended as an invitation to consider these questions in a nuanced way: not as a headline, but as a scientific problem whose assessment requires precision, transparency, and methodological understanding.
This presentation aims to bridge the gap between often highly technical academic publications and simplified media reports, so that even interested non-specialist readers without prior expertise can follow the complex interrelationships.
The text does not claim to be exhaustive – it strives for objectivity, accuracy, and fairness toward all perspectives involved.
About the article series
The analysis is divided into two parts that build on each other thematically. Both can be read independently; however, for a comprehensive understanding, the suggested order is recommended.
Part 1: Production and Purification
Table of Contents – Part 1
1. Manufacturing Processes – An Overview
1.1. Product Formation – From Gene to mRNA
1.2. Impurities and Byproducts
1.3. Purification Methods in the Manufacturing Process
1.4. Comparison: Process 1 vs. Process 2
1.5. Summary: Production and Purification of modRNAPart 2: Detection Methods and Current Evidence
Table of Contents – Part 2
2. Methods for Measuring DNA and RNA
2.1. Spectrophotometric Methods
2.2. Fluorescence-based Quantification
2.3. Amplification-based Methods
2.4. Sequencing-based Methods
2.5. Electrophoretic Fragment Analysis
2.6. Comparison of Key Detection Methods for Nucleic Acids
3. Guidelines for Limiting Residual DNA in Vaccines
4. Studies on Residual DNA in modRNA-based Vaccines
4.1. Why Independent Measurements?
4.2. Methodological Remarks
4.3. Overview and Individual Analyses of the Studies
4.4. Interim Conclusion: What do we know — and what do we not know?
5. Conclusion and Outlook
Current as of June 2026.
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Residual DNA in modRNA-Based Vaccines – Part 1

Guide to the Article Series
Part 1: Production and Purification of modRNA
Part 2: Detection Methods and Current EvidenceBefore we turn to the question of why residual DNA may be detectable in mRNA vaccines, it is helpful to have a basic understanding of the manufacturing process.
The production of modRNA-based vaccines involves multiple sequential manufacturing and purification steps. The starting point is a DNA template that serves as the blueprint for the later nucleoside-modified mRNA (modRNA). During the manufacturing process, complex reaction mixtures are generated, from which unwanted residual components must be removed as thoroughly as possible.
Particular attention in recent years has focused on the fact that different methods were used to amplify this DNA template during development and later industrial production. These processes differ not only in terms of their technical scalability, but also with regard to the requirements for the subsequent purification of biological residual components.
This first part describes the fundamental manufacturing logic of modRNA-based vaccines, typical by-products and impurities, as well as the most important purification methods used during production. Finally, the two manufacturing pathways – Process 1 and Process 2 – are systematically compared.
It thus forms the basis for the second part of this series of articles, which focuses on analytical detection methods, regulatory limits and the experimental studies published to date on residual DNA in mRNA-based vaccines.
Note on terminology
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In general usage, the term „mRNA vaccine” is common. From a technical perspective, however, the approved products consist of nucleoside-modified mRNA (modRNA). For reasons of clarity and readability, this work primarily uses the established term „mRNA vaccine”.Table of contents
1. Manufacturing Processes – An Overview
1.1. Product Formation – From Gene to mRNA
1.2. Impurities and Byproducts
1.3. Purification Methods in the Manufacturing Process
1.4. Comparison: Process 1 vs. Process 2
1.5. Summary: Production and Purification of modRNA
1. Manufacturing Processes – An Overview
The following overview presents the key production steps in a simplified form. In industrial practice, individual procedures and process details may vary depending on the manufacturer.
The manufacturing process can be broadly divided into the following steps:
Step 1 🟢 Extraction of genetic information Step 2 🟢 Amplification of the spike protein DNA
Process 1: using PCR
Process 2: using bacteria💧 Purification of the DNA Step 3 🟢 In vitro transcription for the production of mRNA Step 4 🟢 RNA processing – maturation of the mRNA 💧 Purification of the DNA Step 5 🟢 Encapsulation of the mRNA in lipid nanoparticles (LNPs) 💧 Final purification While the upstream process generates the actual product – the mRNA – step by step, the downstream process serves to isolate the resulting mRNA from complex reaction mixtures, purify it, and formulate it for medical use.
1.1. Product Formation – From Gene to mRNA
Step 1: Extraction of genetic information
Step 2: Amplification of the spike protein DNA
Process 1: using PCR
Process 2: using bacteria
Step 3: In vitro transcription for the production of mRNA
Step 4: RNA processing – maturation of the mRNA
Step 5: Encapsulation of the mRNA in lipid nanoparticles (LNPs)
Step 1: Extraction of genetic information
The first step is to identify the genetic blueprint for the desired protein – in this case, the spike protein of the coronavirus.
In practice, the process unfolds as follows:
Collecting virus samples: Viral material is extracted from patient samples (e.g., throat or nasal swabs, blood, or tissue).
Note: There are differing views on whether SARS-CoV-2 was ever directly isolated from patient samples and cultured in a laboratory. This question is not addressed in this article, as the focus here is on the manufacturing process of mRNA vaccines.
Extracting genetic information: SARS-CoV-2 is an RNA virus. The viral RNA is isolated from the sample.
Converting RNA into DNA: Using a specific enzyme (reverse transcriptase), the viral RNA is converted into DNA. DNA is more stable and can be analyzed more easily.
Decoding the genome: The DNA is amplified, and the exact sequence of nucleotides (A, T, G, C) is determined.
Identifying the relevant section: Using computational analysis, the exact segment containing the blueprint for the spike protein is identified.
Entry into public databases: The resulting genetic blueprint is entered into public databases. This allows research teams worldwide to access the sequence without needing to isolate the virus itself.

Fig. 1.1.1: From the virus to the DNA template Using the enzyme reverse transcriptase, a DNA version is generated from the RNA genome of SARS-CoV-2. The section containing the blueprint for the spike protein is identified and synthetically produced in the laboratory as a DNA template. This DNA template later serves as the basis for producing the mRNA used in the vaccine.
Note: The coronavirus SARS-CoV-2 stores its genetic information on a long RNA strand composed of individual nucleotides – the „letters” of the genetic code. With around 29,700 of these building blocks, it possesses one of the largest known RNA genomes. The blueprint for the characteristic spike protein comprises a segment of approximately 3,800 letters.
Creating the DNA template
Based on the determined genetic sequence (known as sequence data), a synthetic version of the spike gene can be produced in the laboratory. This DNA template later serves as a template for mRNA production.
Step 2: Amplification of the spike protein DNA
Once the blueprint for the spike protein has been produced in the form of a DNA template, it must be amplified millions of times. Only then is enough material available to subsequently produce mRNA from it.
Process 1: using PCR
Process 2: using bacteria

Process 1: Amplification of spike DNA using PCR
Process 1 uses a method that became widely known during the COVID-19 pandemic: the polymerase chain reaction (PCR). It is carried out in the laboratory – technically known as in vitro – and mimics natural DNA replication as it normally occurs in living cells.
What is needed for PCR?
To get nature’s copying machine running, a few ingredients are required:
- DNA template – the starting material is the spike protein DNA from step 1.
- Nucleotides – the building blocks: the four „letters” of DNA – adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G) – from which new strands are assembled.
- DNA polymerase – the builder: the enzyme that reads the template and constructs new DNA strands. Most commonly, the heat-stable Taq polymerase is used.
- Primers – the guide markers: short DNA fragments that indicate where the polymerase should start copying. Two are always required: a forward and a reverse primer.
- Buffer solution – the right environment: ensures the proper conditions for the polymerase to function reliably.
- Thermocycler – the temperature carousel: a device that automatically runs through the required temperature cycles.

Fig. 1.1.2.1-A: Schematic representation of the ingredients and equipment For the subsequent mRNA production, the DNA template is already deliberately extended in this step. An additional DNA segment – the so-called T7 promoter – is attached to the spike sequence. This short sequence is not required for PCR itself, but only becomes relevant in the following process step. The T7 promoter serves as a binding site for T7 RNA polymerase, which, during in vitro transcription (IVT), transcribes the DNA into therapeutic mRNA.
The Polymerase Chain Reaction (PCR) Process
All ingredients are placed into a small reaction tube, which is then inserted into the thermocycler. The device controls the same three steps, which are repeated cyclically:
1) Separation of the DNA strands (denaturation): The sample is heated to approximately 94–98 °C for about 20-30 seconds. This breaks the hydrogen bonds between the DNA bases, causing the double strand to separate into two single strands. These then serve as templates in the next step.

Fig. 1.1.2.1-B: Denaturation step of PCR The illustration is highly schematic and not to scale. The coding sequence for the SARS-CoV-2 spike protein comprises approximately 3,800 base pairs, while the T7 promoter consists of approximately 20 base pairs.
2) Primer binding (annealing): The temperature is lowered to 50–65 °C. The primers now bind specifically to the respective single DNA strands. They mark the starting point for DNA synthesis.

Fig. 1.1.2.1-C: Primer binding The illustration is highly schematic and not to scale. Primers are typically 20–25 nucleotides long.
3) DNA synthesis (amplification): At around 70 °C, the optimal temperature for the polymerase, the actual amplification begins. The DNA polymerase binds to the primer, reads the single strand in the 3′→5′ direction, and simultaneously synthesizes the new strand in the 5′→3′ direction. In doing so, it assembles nucleotides according to the principle of base pairing: A with T and G with C. In this way, two new double-stranded DNA molecules are produced.

Fig. 1.1.2.1-D: DNA synthesis The illustration shows an active DNA polymerase moving along the exposed single strand like a molecular motor. The process of polymerization is clearly visible: individual nucleotides (the building blocks of DNA) enter the enzyme through an opening and are precisely added by the polymerase to the end of the growing strand. This process leads to elongation (extension) of the new DNA strand, which continuously grows in the 5′→3′ direction. Through this ongoing copying activity, amplification (replication) of the genetic information takes place, resulting in a new complementary double strand from the original template strand.
Why is synthesis always carried out in the 5′→3′ direction?
The structure of DNA
DNA consists of two strands that run in opposite directions – one in the 5’→3′ direction and the other in the 3’→5′ direction. The two strands are complementary to each other.
DNA polymerase, the enzyme that synthesizes new DNA, can work in only one direction: it reads the template strand in the 3’→5′ direction and synthesizes the new strand in the 5’→3′ direction.What do 5′ and 3′ mean?
To understand this, we need to look at the building blocks of DNA: the nucleotides. Each nucleotide consists of:- A base (A, C, G, or T)
- A sugar (deoxyribose)
- A phosphate group (P)
The sugar has five carbon atoms (C), which are numbered as follows:
- 1′: The base (A, T, C, or G) is attached here.
- 2′: In DNA, this position carries only a hydrogen atom (-H) and no hydroxyl group (-OH), unlike RNA. This missing OH group gives deoxyribose its name („deoxy” ribose, where „deoxy” means „without oxygen”).
- 3′: This is where a hydroxyl group (-OH) is located, which is essential for attaching new nucleotides during synthesis.
- 4′: Connects the sugar ring to the 5′ carbon.
- 5′: Carries the phosphate group, which links the nucleotide to the next one.

Why synthesis is only possible in the 5’→3′ direction
DNA polymerase can only add new nucleotides to the 3′ end of the growing strand. The reason is that this end carries a free hydroxyl group (–OH), which is required for forming the phosphodiester bond with the phosphate group of the incoming nucleotide.
At the 5′ end, a phosphate group is already present – no further nucleotide can be added there. Therefore, strand elongation is only possible in the 5′→3′ direction.In summary
DNA polymerase moves along the DNA template strand in the 3’→5′ direction. At the same time, it adds complementary DNA nucleotides to the new DNA strand, always at its free 3′ end. In this way, the new strand grows continuously in the 5’→3′ direction.Cycle repetition
The newly formed DNA double strands serve directly as templates for the next round. The steps denaturation – primer binding – DNA synthesis are repeated cyclically.
With each cycle, the amount of DNA doubles: 1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32 …
After only 25–40 cycles, billions of copies of the spike protein DNA are present.
Fig. 1.1.2.1-E: Cycle repetition The result
At the end of PCR, you obtain a highly concentrated solution containing many copies of the spike blueprint – the starting material for the next step: the production of mRNA.
🎥 Tip: The video „What is PCR? Polymerase Chain Reaction” provides a clear visual summary of the process.

Process 2: Amplification of spike DNA using bacteria
In contrast to PCR, which takes place in a test tube (in vitro), this approach uses living organisms, specifically bacteria. This is referred to as an in vivo process (Latin for „within the living”), because amplification occurs directly inside the cells.
a) Why bacteria?
b) The bacterium Escherichia coli (E. coli)
c) Plasmids – small DNA rings with a big impact
d) Plasmids in genetic engineering
e) Insertion of spike protein DNA into a plasmid
f) Transfer of modified plasmids into bacteria
g) Bacterial multiplication
h) Harvesting the bacteria
i) Isolation of modified plasmids
j) Linearization of spike protein DNAa) Why bacteria?
Bacteria are tiny, single-celled organisms that reproduce through simple cell division: one cell divides into two, those divide again – and in a very short time, this produces vast numbers of identical copies.

Fig. 1.1.2.2-A: Growth and structure of bacteria Since bacteria are asexual, they reproduce primarily through simple division. The process begins with cell growth and duplication of the genetic material. A constriction then forms, until two genetically identical daughter cells are ultimately produced.
The genetic information of bacteria – their DNA – is freely located inside the cell in the so-called cytoplasm. Most of it is stored in the bacterial chromosome. In addition, many bacteria contain small, circular DNA molecules called plasmids.
Adaptation through mutation and gene transfer
The continuous alteration of genetic material is essential for organisms to successfully adapt to new environmental conditions over generations. Bacteria are considered particularly adaptable. This is ensured by two mechanisms:Mutations: small random changes in the genetic material that can sometimes provide advantages (e.g., antibiotic resistance).
Gene transfer: bacteria can additionally exchange DNA segments, especially via their plasmids. In this way, beneficial traits can spread very rapidly through a bacterial population.
This is why bacteria are so suitable:
- Rapid reproduction: Under ideal conditions, many bacteria double every 20 minutes.
- Simple structure: Their DNA is not enclosed in a cell nucleus but lies freely within the cell, which facilitates manipulation.
- Plasmids as additional DNA: These can be easily modified, transferred, and used for the amplification of foreign DNA – ideal for genetic engineering.
The ability to introduce genetic material into bacteria and have it replicated has been used by researchers for decades. In this way, bacteria become small „DNA factories”.
A historical breakthrough
In 1973, Stanley Cohen and Herbert Boyer achieved a groundbreaking experiment: they were the first to insert a foreign gene into bacteria. The result showed that the bacteria adopted the new gene and even expressed it. This demonstrated that genes can be transferred from one organism to another – marking the birth of modern genetic engineering. [The Cohen–Boyer experiment]b) The bacterium Escherichia coli (E. coli)
In research, the bacterium Escherichia coli (E. coli for short) is particularly widely used – for several reasons:
- It is easy to culture and grow in the laboratory.
- It reproduces very quickly: under optimal conditions, it divides every 20–30 minutes.
- Its genome has been extensively studied and well understood.
- It can be easily genetically manipulated.
- Its cultivation is inexpensive.

Fig. 1.1.2.2-B: The bacterium Escherichia coli On the left, a microscopic image; on the right, a simplified illustration showing DNA (large tangle) and plasmids (small rings).
Because E. coli is the most extensively studied organism in molecular biology and genetics, scientists jokingly refer to it as the „pet of geneticists“.
For these reasons, E. coli is one of the most important tools in biotechnology – and it also plays a central role in vaccine development.
A brief journey into the world of the E. coli bacterium
Escherichia coli – colorless, almost transparent – scarcely longer than one thousandth of a grain of sand – appears inconspicuous. And yet, it is anything but boring.
From the outside, it looks like a small capsule, but beneath its surface lies one of the busiest megacities at rush hour.
No space for emptiness. Molecule by molecule. Proteins, ribosomes, nucleic acids – they crowd together, collide, and make way for one another. A state that biologists soberly call macromolecular crowding, but which here feels like permanent congestion. And still – or precisely because of it – everything functions with breathtaking precision.
In the midst of this crowded space lies the cell’s memory: a single, circular DNA molecule. Everything is written here – how to consume sugars, how to swim, how to divide. If one were to gently stretch out this DNA, it would be a thousand times longer than the cell itself. A strand of millions of letters, tightly packed, repeatedly twisted, forced into loops and coils. This folding art is called supercoiling – as if someone had crammed a kilometer-long story into a matchbox without losing a single word.
Yet for all its power, this DNA rarely speaks directly. Instead, it continuously sends out messengers: RNA. Thousands, tens of thousands. Short messages, work instructions, construction plans. Some are only fleeting notes – mRNA, barely a thousand characters long, with a lifespan of minutes. Others are more stable and substantial: rRNA, the structural backbone of ribosomes. And then there are the small tRNA molecules, little more than assistants, yet essential in delivering the right building blocks at precisely the right moment. They dart through the cytoplasm like couriers. Their destination?
The ribosomes – the true giants of this world. Tens of thousands of them drift through the cytoplasm. They read the fleeting mRNA messages and turn them into tangible reality: proteins. They are silent, tireless, and they consume a large portion of the cell’s resources. Almost a quarter of all proteins here exist solely to produce new proteins.
And these proteins are everywhere. Millions of them, in thousands of forms. Enzymes that accelerate reactions which would otherwise take days or years – here they occur in fractions of a second. Some operate in bulk, performing the same task repeatedly. Others are rare specialists, perhaps only a few dozen copies, yet indispensable at the decisive moment. Among them patrol the guardians: RNases, which break down old messages. Once an RNA instruction has been executed, they disassemble it back into its basic components. This prevents the buildup of informational waste and allows the building blocks to be recycled for new instructions. Interspersed – in carefully regulated amounts – are DNases. They ensure that the valuable master plan in the archive is repaired if something goes wrong. At the same time, they eliminate foreign intruders and even extract energy from them.
All of this takes place within a shell that must be constantly renewed: a living boundary made of lipids, whose outer layer carries endotoxins. And it is under time pressure. Because this E. coli does not live to remain static – it lives to divide.
Under favourable conditions, it measures time in minutes. Twenty, perhaps thirty – then one cell must become two. While copying, reading, and building take place inside, the surface expands in parallel. Millions of new lipid molecules are produced, integrating themselves and extending the protective wall. It is a race without pause – a controlled chaos with a clear direction.
And then comes the moment of division. No dramatic cut, no ending – more a quiet drifting apart. The mother cell ceases to exist as an individual. Yet its story is not torn apart; it continues, twice. In two cells that are both old and new at the same time. Each carries the same long DNA within it, the same noise of molecules, the same restless order.
One can imagine the world inside the E. coli cell expanding to yet another, almost mysterious layer:
Alongside the large circular chromosome, smaller DNA rings drift through the crowded interior: plasmids. They are like loose pages in the cell’s internal archive – not strictly essential for survival, but often crucial in practice. Some carry instructions for new capabilities: resistance to a toxin, an enzyme that enables the use of an unusual nutrient source, sometimes only a small tactical advantage for difficult times.
They move freely, collide with ribosomes, are briefly bound by proteins, and released again. They, too, are read; their genes are transcribed into RNA, and their messages land on the same ribosomes as those of the main chromosome. In this overcrowded city, there are no special privileges – only function.
When the cell prepares for division, the plasmids begin to move. They must not be lost. Special proteins ensure that copies are made and that each of the resulting daughter cells receives at least one copy. A silent act of transmission – almost like slipping a letter into someone’s hand in a crowd before two paths separate.
Sometimes, however, their story does not end within their own lineage. Occasionally, a connection opens to the outside, to a neighbouring cell. In that moment, plasmids change hands. A brief contact, a transfer, and information jumps from one cellular history into another. In this way, traits can spread faster than any chromosomal mutation could ever achieve.
In this world, plasmids are the rumours, the blueprints, the survival tricks that are not carved in stone. Mobile, exchangeable, opportunistic. And precisely because of this, they fit perfectly into the restless, crowded interior of E. coli, where nothing ever stands still – not even the genetic material itself.
The illustrations by David Goodsell are highly recommended. He depicts the interior of cells true to scale – his images of E. coli make this molecular „crowding” truly tangible.
c) Plasmids – small DNA rings with a big impact
Plasmids are small, circular DNA molecules that occur in addition to the bacterial chromosome within the cell. They are much smaller than the main chromosome, may be present in varying copy numbers, and can replicate independently of it. Unlike the linear DNA of eukaryotes (e.g., humans), plasmids form closed circles of double-stranded DNA (dsDNA).

Fig. 1.1.2.2-C1: Schematic representation of the plasmid DNA of Escherichia coli Plasmids can carry a wide variety of genes – for example, genes conferring antibiotic resistance or encoding the production of specific proteins. To enable their targeted use by researchers, so-called plasmid maps are created: schematic representations showing the most important functional regions.

Fig. 1.1.2.2-C2: Plasmid map – schematic representation ORI (Origin of Replication): Starting point for the duplication of the plasmid. When environmental conditions and internal signals are favourable, the bacterium can „press this start button”, and the plasmid makes a copy of itself. Only if this ORI is „compatible” with the bacterium can the plasmid reliably replicate, even independently of cell division.
Selection markers: Genes that confer an advantage to bacteria, such as resistance to a specific antibiotic. They help researchers identify which bacteria carry the plasmid.
Promoter: The promoter is a specific DNA region that controls gene activity. It regulates when and how strongly certain genes on the plasmid are transcribed, thereby controlling the production of the corresponding proteins.
Restriction sites: These are short DNA sequences that can be recognized and specifically cleaved by restriction enzymes. These enzymes serve as a kind of immune system for bacteria, enabling them to cut the DNA of invading viruses and thus defend themselves.
d) Plasmids in genetic engineering
In bacteria, restriction enzymes actually serve to defend against foreign DNA. In genetic engineering, however, they are used as precise tools: tiny molecular scissors that cut DNA at very specific sites.
This creates a „gap” in a plasmid into which a desired gene can be inserted. Another enzyme, DNA ligase, then „glues” the DNA ends back together. The inserted gene is called the insert gene (see upper figure).
Through this process, plasmids are transformed into small gene shuttles: they specifically transport new genes into bacteria. With each cell division, the plasmid – and thus the insert gene – is automatically copied as well. In this way, entire bacterial cultures are created that act as „mini-factories”, producing specific proteins or DNA in large quantities.
🎥 Tip: A short animated introduction to plasmids can be found here.
e) Insertion of spike protein DNA into a plasmid
For the amplification of the SARS-CoV-2 spike protein sequence, the spike gene is first integrated into a bacterial plasmid – a process referred to as „cloning”. In this step, the molecular biology tools described earlier are used: restriction enzymes open the circular plasmid at defined sites, while DNA ligases precisely insert the spike gene and permanently join the DNA ends. In this way, a recombinant (newly assembled) plasmid is created that contains the genetic information for the desired antigen.

Fig. 1.1.2.2-E1: How the spike gene is inserted into a plasmid DNA elements within the plasmid
The spike DNA is not inserted into the plasmid in isolation, but together with additional genetic elements required for plasmid replication.
ORI (Origin of Replication): The origin of replication determines the site at which plasmid replication begins within the bacterial cell. Without this element, the plasmid could not be stably amplified in E. coli.
Spike protein gene: This gene contains the blueprint for the spike protein – the central antigen of the vaccine.
Antibiotic resistance gene: The resistance gene serves as a selection marker. It ensures that, under antibiotic pressure, only those bacteria survive that have taken up the desired plasmid. This allows suitable bacterial clones to be specifically selected and amplified.
- Moderna: kanamycin resistance gene
- Pfizer/BioNTech: Neo/Kan resistance gene (conferring resistance to neomycin and kanamycin)
SV40 components (Pfizer/BioNTech): The production plasmid used by Pfizer/BioNTech additionally contains regulatory sequence elements derived from Simian Virus 40 (SV40) – a monkey virus whose genetic components have been used in molecular biology for decades.
Specifically, these include:
- an SV40 promoter/enhancer,
- as well as parts of the SV40 origin of replication.
Such sequences are used in genetic engineering because they can enhance gene expression in mammalian cells and may facilitate plasmid replication in certain cell lines.
However, for bacterial amplification in E. coli, these elements have no known functional role, since bacteria do not possess the necessary cellular factors required for their activity.
Why these SV40 sequences are included in the final production plasmid is not fully documented in publicly available sources. It is discussed, among other things, that they may have been carried over from earlier development or testing systems and later retained.
According to current knowledge, Moderna does not use comparable SV40 components in its production plasmid.
The varying use of such regulatory sequences is among the issues currently being debated in scientific circles in connection with residual DNA.

Fig. 1.1.2.2-E2: Simplified representation of the plasmid maps of Pfizer and Moderna A more detailed representation of the plasmid maps can be found here.
f) Transfer of modified plasmids into bacteria
The modified plasmids, which now carry the blueprint for the spike protein, are then introduced into E. coli bacteria – a process known as transformation. During this step, the bacteria take up the plasmids; these remain permanently within the bacterial cell and are passed on during each cell division.

Fig. 1.1.2.2-F: Schematic representation of transformation The modified plasmids are introduced into E. coli bacteria via transformation. Plasmids used in genetic engineering to transport foreign DNA sequences are called vectors.
Plasmid-free host cells – for clean clones
In biotechnological plasmid production, only the modified plasmids are intended to be produced. Therefore, special plasmid-free bacterial strains are used that do not carry any of their own natural plasmids.
This has several reasons:
- Natural plasmids could compete for the cell’s replication machinery,
- they could exchange DNA segments through recombination,
- and they would make the genetic composition of the colony unpredictable.
By using plasmid-free host cells, it is ensured that all bacteria in a colony are genetically identical clones – each containing the same, defined plasmid with the desired sequence.
g) Bacterial multiplication
The E. coli bacteria carrying the modified plasmids are transferred into a fermenter. A fermenter, also called a bioreactor, is a device used in biotechnology for the large-scale production of products such as antibiotics, enzymes, vitamins, or vaccines. It allows precise control of conditions such as temperature, pH, oxygen supply, stirring speed, and nutrient availability.
The nutrient medium in the fermenter contains all essential substances required for bacterial growth. Under these optimal conditions, the bacteria begin to multiply rapidly. With each cell division, the plasmids are also copied, so that the desired DNA is amplified as well.
To ensure that only bacteria survive which actually carry the spike gene plasmid, an antibiotic is additionally added to the fermenter. Only cells containing the plasmid – and therefore the antibiotic resistance gene – can grow. This results in a culture composed exclusively of the desired, modified bacteria.
E. coli can divide approximately every 20–30 minutes. Within just a few days, this leads to an enormous bacterial population in the fermenter – containing trillions of copies of the spike plasmid.

Fig. 1.1.2.2-G: Amplification of E. coli bacteria carrying the modified plasmid in a bioreactor h) Harvesting the bacteria
After the growth phase, the E. coli cells are „harvested”. For this purpose, the entire contents of the fermenter – the cell suspension – are transferred into a harvest tank. There, the separation of liquid and cells takes place, usually by centrifugation (rapid spinning) or filtration. In the end, a cell pellet is formed, meaning a concentrated collection of bacteria at the bottom of the container.

Fig. 1.1.2.2-H1: Transfer of fermenter contents to the harvest tank and formation of a cell pellet by centrifugation or filtration The cell pellet – now separated from the nutrient medium – is transferred to a downstream processing facility. It is either resuspended in a liquid to form a uniform, pumpable „cell slurry”, or it is automatically conveyed as a solid pellet. In modern facilities, all of this takes place in a closed system, without the biomass being exposed to the external environment.

Fig. 1.1.2.2-H2: Transfer of the harvested material to the downstream processing facility i) Isolation of modified plasmids
After harvesting the bacterial cultures, a crucial separation step follows: the E. coli cells are specifically lysed in dedicated downstream processing systems, meaning they are carefully broken open.
The addition of sodium hydroxide (NaOH) and the detergent SDS (a specialized soap-like molecule) dissolves the lipid-based cell envelope, similar to how dishwashing detergent removes grease.
This releases the entire cellular content – a complex mixture consisting of the desired plasmids, chromosomal DNA, proteins, membrane components, and many other cellular substances.

Fig. 1.1.2.2-I1: Lysis of bacteria and release of cellular contents Left: Schematic cross-section of an E. coli cell containing a modified plasmid. The outer membrane is shown with embedded endotoxin molecules (purple).
Right: After disruption of the cell membrane (lysis), the various cellular components are released – modified plasmids, chromosomal DNA (bacterial chromosome), proteins, enzymes, and lipids. The outer membrane appears in fragments containing structurally bound endotoxin (LPS).DNA forms in E. coli: plasmid and chromosome
Plasmids in Escherichia coli exist as small, circular DNA molecules. Within the cell, they are predominantly found in a supercoiled form. This topology (spatial arrangement) is biologically preferred because it provides high mechanical stability and compactness. The closed DNA ring is additionally twisted, allowing the molecule to be organized in a space-saving manner while remaining relatively resistant to physical stress.

The difference between supercoiled (superhelical) and relaxed (ring-shaped) plasmids lies exclusively in their topology. Both forms contain identical genetic information, but they exhibit markedly different physical properties.
In the supercoiled form, the DNA molecule is under torsional strain and tightly wound around itself. The relaxed form typically arises when one of the two DNA strands acquires a single-strand break (a nick). This nick relieves the torsional stress, and the plasmid adopts a more open, less compact circular structure.
The bacterial chromosome (genomic DNA, gDNA) is also circular, but many times larger. It is highly organized, associated with proteins, and folded into multiple domains.
Supplementary explanation regarding the mechanism of alkaline lysis
Destruction of genomic DNA, preservation of plasmids
During alkaline lysis, the cell membrane and cell wall are disrupted. The double-stranded DNA of both molecular types (genomic DNA and plasmids) is briefly denatured and subjected to mechanical and chemical shear forces.
The following occurs:
- The long, fibrous genomic DNA is broken and linearized by shear forces, as it is too large and fragile to remain intact.
- In contrast, the compact, supercoiled plasmid DNA remains largely intact.
When the previously alkaline solution is neutralized, the small circular plasmid DNA can renature correctly: its two single strands find each other again and re-form a stable double helix. As a result, it remains in solution.
The much longer genomic DNA can no longer fully renature under these conditions. It precipitates together with cell debris and proteins as an insoluble pellet.
Destruction of protein structures
Alkaline lysis affects not only nucleic acids but also proteins. Under strongly basic conditions, proteins lose their three-dimensional folding and thus their biological function. Large complexes such as ribosomes, which consist of ribosomal RNA and numerous proteins, are also completely destroyed and break down into their components. During subsequent neutralization, these denatured proteins and RNA fragments aggregate (clump together) – similar to how egg white solidifies when cooked – forming a precipitate that can be easily removed together with the remaining cell debris.
Why small RNA fragments appear after bacterial lysis
When E. coli cells are broken open, not only plasmids enter the lysate but also large amounts of bacterial RNA. This consists of a wide variety of molecules that were responsible for the bacteria’s metabolism – including many short, stable RNA types. In addition, bacterial enzymes that degrade RNA (RNases) are released during lysis. Active RNases can rapidly break existing RNA down into smaller pieces. Mechanical shear forces during the lysis process also contribute to fragmentation. The result is a complex mixture of short bacterial RNA fragments.
Natural RNA of the bacterial cell
The bacterial cell (E. coli) already contains a vast amount of its own natural RNA – significantly more than DNA. When the cells are disrupted (lysis), all of this cellular RNA enters the lysate and represents a major impurity. This includes:
- rRNA (ribosomal RNA): makes up the majority (~80–90%) of bacterial RNA and is present in large quantities.
- tRNA (transfer RNA): very small, stable molecules in many different variants.
- Bacterial mRNA: naturally short-lived in bacteria and often already partially degraded.
- Regulatory small RNAs (sRNAs): natural RNA species only a few dozen nucleotides in length.
In summary, this collection of ribosomal, transfer, and messenger RNA forms the natural cellular RNA pool of E. coli.
Destruction of the membrane and release of endotoxins
Endotoxins (lipopolysaccharides, LPS) are a natural component of the outer membrane of bacteria with a double-layered cell envelope such as E. coli. In scientific terminology, such bacteria are referred to as ‚Gram-negative‘. They provide structural stability and help the bacterium withstand external stress. During lysis, this membrane is disrupted, releasing large amounts of LPS. While endotoxins act as a kind of „armour” for the bacterium, they are highly toxic to humans. The biologically active component – lipid A – can trigger strong inflammatory responses in humans, which is why endotoxins are among the most critical contaminants in biotechnological production.
The challenge now lies in isolating the desired plasmids from this biochemical complexity and removing all unwanted accompanying substances. This involves a multi-stage purification process, which we will examine in more detail later in the section on Purification Methods in the Manufacturing Process.

Fig. 1.1.2.2-I2: Lysis in the downstream processing facility and initiation of plasmid purification In the downstream processing facility, the harvested bacterial cells are lysed. This produces a „cell slurry” containing all cellular components. The purification process then begins, in which the desired plasmids are separated from the mixture using specific filtration and chromatography techniques.

Fig. 1.1.2.2-I3: Result of plasmid isolation After purification, the plasmid DNA is obtained in high purity. In addition to the dominant supercoiled conformation, a small proportion of relaxed plasmids is visible. The latter arise from single-strand breaks (nicks) during cell lysis or downstream processing.
j) Linearization of spike protein DNA
The purified circular plasmids already contain the blueprint for the spike protein, but they are not yet suitable for the next step. For transcription, the circular plasmid DNA must be converted into a linear form.
To achieve this, the plasmids are specifically opened: a targeted restriction enzyme makes a precise cut at a defined site, typically after the end of the spike protein gene. In this way, clean DNA ends are generated that facilitate the reading of the sequence.
This cut converts the entire plasmid from its circular form into a linear, open DNA strand. This strand contains not only the spike gene, but also all other plasmid components, such as the origin of replication (ORI), selection markers, and regulatory elements. One particularly important of these sequences is the T7 promoter; this will become clear in the next step.

Fig. 1.1.2.2-J1: Linearization of plasmid DNA The circular plasmid is cut open with a restriction enzyme, resulting in a linear DNA molecule. This contains different sections: the origin of replication (ORI, yellow), selection markers (light green), regulatory sequences such as SV40 (blue) and the T7 promoter (purple), as well as the actual spike gene (red). In the detailed view below, the nucleotide sequence of the spike gene is indicated. The complete nucleotide sequence is shown in a strongly shortened form.
Further purification after linearization
The linearization of plasmid DNA generates additional reaction components and by-products that must be removed before in vitro transcription. These include, in particular:
- Restriction enzymes: The endonucleases used for the targeted cleavage must not remain in the subsequent manufacturing process.
- DNA by-products: These include incompletely linearized plasmids (e.g., residual supercoiled or relaxed forms) as well as short DNA fragments that may arise from nonspecific breaks or side reactions.
- Salts and buffer residues: The linearization reaction is carried out in specific buffer systems whose ions and additives could interfere with subsequent process steps.
Appropriate purification methods are used to obtain a highly purified linear DNA template, which serves as the template for the next process step.
In this context, the term highly purified does not describe an absolute state, but rather the extensive removal of process-related impurities to a regulatorily acceptable minimum. Small residual amounts of non-linear plasmid forms may remain and are further reduced in subsequent process steps.

Fig. 1.1.2.2-J2: From plasmid to DNA template: production of the linear DNA template Left: The plasmid DNA solution before linearization. It contains a mixture of supercoiled (predominant) and relaxed (open circular) plasmid forms.
Center: The solution after linearization by a restriction enzyme. The circular plasmids have been cut at a defined site and now exist as linear, double-stranded DNA molecules. However, the solution also contains residual enzyme, buffer salts, and possible by-products.
Right: The solution after purification. Interfering components such as the restriction enzyme, buffer constituents, and unwanted DNA fragments have been removed.
Step 3: In vitro transcription for the production of mRNA
After the plasmid DNA has been linearized, it now serves as the template for in vitro transcription (IVT). The goal of this step is to produce the RNA molecule from the DNA that will later be used as the mRNA vaccine.
Transcription – the „rewriting” of DNA into RNA
Transcription takes place in a separate bioreactor under controlled conditions (e.g., specific pH, temperature, and ionic strength) that are optimized for RNA synthesis. Three components are required for this process:
1) The DNA template containing the spike gene.
2) The RNA building blocks, known as nucleotides.
3) An enzyme – T7 RNA polymerase – which specifically recognizes the T7 promoter. The T7 promoter was inserted into the plasmid directly upstream of the spike gene sequence and marks the starting point of transcription.Course of transcription
Initiation (start): The T7 RNA polymerase binds to the T7 promoter. Once the enzyme is anchored there, it opens the DNA double helix at the transcription start site and exposes one strand as the DNA template.

Fig. 1.1.3-A: Schematic representation of how T7 RNA polymerase binds to DNA. The DNA contains various functional regions, including the origin of replication (yellow), selection markers (light green), regulatory elements (blue), the T7 promoter, and the spike gene sequence (red). The polymerase recognizes the T7 promoter and binds precisely at this site. It then unwinds the DNA double helix and begins synthesizing the RNA strand along the spike gene.
Elongation (extension): The polymerase moves along the DNA template strand in the 3′ → 5′ direction and simultaneously synthesizes the complementary RNA strand by stepwise addition of nucleotides in the 5′ → 3′ direction. The following complementary base pairing applies:
- DNA A (adenine) → RNA U (uracil or m¹Ψ)
- DNA T (thymine) → RNA A (adenine)
- DNA C (cytosine) → RNA G (guanine)
- DNA G (guanine) → RNA C (cytosine)
Behind the polymerase, the DNA double helix re-forms.
Termination (end): At the end of the spike gene, there is a terminator sequence. Once this is reached, the polymerase stops, detaches from the DNA, and the completed RNA molecule is released.

Fig. 1.1.3-B: The figure illustrates the molecular mechanism of transcription. T7 RNA polymerase binds to the DNA and separates the two strands. Along the template strand, matching RNA nucleotides are incorporated. In this stepwise process, a single-stranded RNA molecule is formed that carries the information of the spike gene.
The RNA produced in this way is single-stranded and corresponds in its base sequence to the spike gene.
A distinctive feature of mRNA production
To improve stability and tolerability for use in vaccines, a modified building block is used:
Instead of uridine (U), N¹-methyl-pseudouridine (m¹Ψ) is incorporated.
This modification makes the RNA more stable, protects it from rapid degradation, and reduces unwanted immune reactions.
Both Pfizer’s and Moderna’s mRNA vaccines contain N¹-methyl-pseudouridine (m¹Ψ) instead of uridine. [The Critical Contribution of Pseudouridine to mRNA COVID-19 Vaccines]
Comparison of DNA, mRNA, and modRNA
During in vitro transcription, double-stranded DNA is converted into single-stranded RNA. DNA and RNA are similar in their basic chemical structure but differ in key properties such as stability, lifetime, and biological function. In mRNA vaccines, however, natural mRNA is not used; instead, a chemically modified form (modRNA) is employed. This differs from natural mRNA in several essential aspects.
The following table compares the properties of DNA, natural mRNA, and synthetic modRNA.
Property DNA Natural mRNA Synthetic modRNA Definition Master archive: permanent storage of all genetic information Transcript of a single gene: contains the blueprint for a body´s own protein Gene copy with a „disguise”: laboratory-produced (synthetic) form of mRNA that has been chemically modified. It contains the blueprint for a „non-native” protein. Occurrence Universal: nucleus (in eukaryotes); also mitochondrial DNA Cell-specific: produced on demand only where the corresponding protein is needed. Non-specific: can be taken up by many cell types in the body via lipid nanoparticles Structure Double-stranded Single-stranded Single-stranded Sugar Desoxyribose Ribose Ribose Basen A – adenine
C – cytosine
G – guanine
T – thymineA – adenie
C – cytosine
G – guanine
U – uracilA – adenine
C – cytosine
G – guanine
m¹Ψ – N1-MethylpseudouridineLifetime and degradation rate Very stable: protected by the nuclear membrane and repair systems; normally not degraded except during cell death or targeted DNA breakdown. Short-lived: minutes to hours. Protein production is flexibly adapted to current metabolic needs. Extended: hours to days. By replacing uridine with N1-methylpseudouridine, modRNA is less strongly recognized by innate immune RNA sensors and is degraded more slowly. Degrading enzymes DNases (deoxyribonucleases) RNases (ribonucleases) RNases (reduced recognition and slower degradation) ✧ ✧ ✧
IVT by-products and impurities
After in vitro transcription (IVT), the result is not a pure product but a complex mixture. In addition to the desired mRNA, various by-products and impurities are formed as a result of the process, including short or long single-stranded RNA (ssRNA), double-stranded RNA (dsRNA), and RNA:DNA hybrids.
These accompanying products must be selectively removed, as they can otherwise impair the stability, efficacy, and tolerability of the vaccine. The purification methods used for this purpose are explained in more detail in Chapter 1.3.

Step 4: RNA processing – maturation of the mRNA
RNA processing comprises a series of modifications that occur during or after transcription in order to produce a mature, functional mRNA from the RNA.
In the production of mRNA for vaccines, efforts are made to mimic natural processes as closely as possible, as they normally occur in human cells. The synthetically produced mRNA is designed to imitate certain properties of naturally occurring mRNA, thereby making it stable and enabling efficient translation into the desired protein.
A functional vaccine mRNA requires, like normal human mRNA:
- a protective cap (5′ cap) at the front end of the RNA
- a stabilizing tail (poly-A tail) at the back end
The 5′ cap: a „security seal” for the cell
For a synthetically produced mRNA to function in the body, it must carry a specific chemical protective structure at its 5′ end – the Cap-1 structure. This cap is a key recognition feature for the cell and determines whether the mRNA remains stable, is efficiently translated, and is not recognized as foreign.
The components of the Cap-1 structure (m⁷GpppN¹m)
The Cap-1 structure is not a simple „cap”, but a precisely built molecule consisting of three functional components:
The recognition element: 7-methylguanosine (m⁷G)
A special guanosine building block with a methyl group. This modification acts like a molecular ID card: only mRNAs with this structure are recognized by the cell as correct and trustworthy.The linkage: triphosphate bridge (ppp)
Three phosphate groups connect the cap to the mRNA via an unusual 5′-5′ linkage. This special bond effectively protects the RNA end from enzymatic degradation.The disguise: modified first nucleotide (N¹m)
The first nucleotide of the mRNA is additionally 2′-O-methylated. This modification is crucial for protecting the mRNA from recognition by cellular RNA sensors.
Fig. 1.1.4-A: Schematic representation of the Cap-1 structure (m⁷GpppN¹m) The 5′ end of the mRNA is linked to the first nucleotide (guanine in this example) via a 5′–5′ triphosphate bridge (ppp) and an invertedly linked, N7-methylated guanosine (m⁷G). Additionally, this first nucleotide bears a 2′-O-methylation (N¹m), which defines the Cap-1 structure and contributes to the stability, translational efficiency, and immune evasion of the mRNA.
During natural gene expression in human cells, mRNA is already processed while it is being synthesized in the nucleus. In particular, all mRNA molecules produced by RNA polymerase II receive a 5′ cap structure very early during transcription, along with additional chemical modifications.
Uncapped mRNA is non-functional under physiological conditions in eukaryotic cells: it is unstable, rapidly degraded, and does not reach the cytoplasm. This is because its 5′ end exists as a 5′ triphosphate (5′-ppp) structure, which is recognized and eliminated by cellular quality control systems as an abnormality (see lower figure).

Fig. 1.1.4-B: Uncapped RNA – the free 5′-triphosphate is a key recognition motif for cytosolic immune sensors. Why is Cap-1 so important?
The Cap-1 structure fulfills three central functions:Immune evasion (camouflage): Cellular pattern recognition receptors such as RIG-I are highly sensitive to RNA with free 5′ triphosphates or unmodified ends. The Cap-1 structure of modRNA is chemically identical to the Cap-1 structure of the body’s own mRNA. Because cellular RNA sensors recognize this structure as „self”, no strong innate immune response is triggered under physiological conditions.
Initiation of protein production: The cap serves as a docking site for cap-binding proteins and marks the starting point for protein synthesis by ribosomes.
Stability: The cap protects the 5′ end of the mRNA from rapid enzymatic degradation, thereby extending its functional lifetime within the cell.
The poly-A tail: the protection and control center at the end
At the other end of the mRNA (the so-called 3′ end) is a long sequence consisting exclusively of adenine nucleotides – the poly-A tail. In vaccine production, it is usually made up of 100 to 150 ‘A’ units.
What is this tail for?
The „hourglass” of mRNA: The cell contains enzymes that gradually „nibble away” mRNA molecules from back to front. The poly-A tail acts as a buffer or protective extension at the end. It is degraded first, before the actual genetic information is attacked. The longer the tail, the longer the mRNA survives in the cell and the more protein can be produced.
Translation enhancer: Specific proteins bind simultaneously to the 5′ cap and the poly-A tail, forming the so-called closed-loop complex – an efficient „circular track”. On the one hand, this signals to the ribosome (the protein factory) that the mRNA is complete and ready for translation. On the other hand, after finishing the synthesis of one protein, the ribosome can directly restart translation at the 5′ end. This mechanism greatly increases the speed and efficiency of protein production.
✧ ✧ ✧
In summary: while the 5′ cap legitimizes the mRNA, disguises it, and makes it available for translation, the poly-A tail determines how long and how often the cell can use the information. Both modifications are therefore crucial for the lifetime of the mRNA and for its efficient translation into protein.
In the following schematic representations, the Cap-1 structure is shown as a functional 5′ unit positioned in front of the RNA strand, although chemically it represents a modified extension of the first nucleotide. For didactic reasons, the poly-A tail is symbolized by three adenine residues.

Fig. 1.1.4-C: Schematic representation of a mature mRNA with 5′ cap and poly-A tail The figure is highly simplified; the actual mRNA is significantly longer and comprises approximately 4,200 nucleotides in the COVID-19 vaccine.
In biotechnological production, two methods have become established for generating these essential structures:
1. Co-transcriptional modification (the „all-in-one” method)
In this approach, the cap and poly-A tail are generated during in vitro transcription (IVT).
mRNA capping: Pre-formed cap building blocks (cap analogs) are added to the reaction. The T7 RNA polymerase automatically incorporates this cap structure as the first element at the beginning of the emerging mRNA molecule.
Polyadenylation: The DNA template already contains a sequence that serves as a template for a defined-length poly-A tail. The polymerase therefore synthesizes it directly following the coding sequence.
Advantage: The process is fast, scalable, and takes place in a single reaction vessel. By using modern cap analogs (e.g. ARCA or CleanCap), capping efficiencies of >95% can be achieved.
In industrial practice, the co-transcriptional method is the predominant standard.
2. Enzymatic modification (the „step-by-step” method)
In this more traditional, multi-step approach, the cap and poly-A tail are added in separate reaction steps after IVT.
Polyadenylation: First, the RNA is treated with the enzyme poly(A) polymerase. This enzyme specifically adds a long sequence of adenine nucleotides to the 3′ end of the RNA. The mRNA thus receives its poly(A) tail after synthesis.
mRNA capping: In a subsequent step, the 5′ cap structure is built up in a separate reaction.
Advantage: This method achieves very high and clean capping efficiency, but it is more labor-intensive.
Regardless of the chosen method, a comprehensive purification step follows in order to obtain a homogeneous and highly pure mRNA product.
The key steps – from the purified DNA template to the formulation-ready product – are summarized in the following overview:

Fig. 1.1.4-D: In-process: From purified DNA to formulation-ready mRNA After IVT, a complex mixture of mRNA, template DNA, enzymes, by-products, and reaction components is present. Through subsequent purification steps, this mixture is reduced to a predominantly pure mRNA solution, which serves as the starting material for LNP formulation.

Step 5: Encapsulation of the mRNA in lipid nanoparticles (LNPs)
After the mRNA has been fully produced and purified, it still needs to be protected and made transportable. This is exactly the role of packaging it into lipid nanoparticles (LNPs).
Why does mRNA need packaging?
mRNA is a very fragile molecule. Without protection, it would be rapidly degraded in the body. LNPs fulfill several functions simultaneously:
- they protect the mRNA from degradation
- they transport it into body cells (through the cell membrane)
- they enable controlled release of the mRNA inside the cell
Without LNPs, the vaccine would not be functional.
How does an LNP form? – The basic mechanism
Formulation typically takes place in a device such as a microfluidizer or nanoparticle mixer. In this process, two liquids are rapidly mixed at very high speed:
1) An ethanolic lipid solution
This contains four different lipids:
- ionizable cationic lipid (binds the mRNA and enables cellular uptake)
- phospholipid (stabilizes the structure – similar to cell membranes)
- PEG-lipid (controls particle size and prevents aggregation)
- cholesterol (makes the particle flexible and stable)

2) An aqueous mRNA solution
This contains only:
- purified mRNA
- a mild buffer

Fig. 1.1.5-A: Schematic representation of RNA in solution – linear vs. 3D The RNA is shown in its linear form above, representing how the base sequence is read. Below, the same strand is illustrated as it actually exists in aqueous solution: a flexible, constantly moving 3D coil in which individual segments interact only loosely or transiently with each other.
What happens during mixing – a self-assembly effect
When the two solutions meet within fractions of a second, several parameters change:
- pH value
- lipid solubility
- charge states

Fig. 1.1.5-B: The microfluidics principle: precision mixing on a millisecond timescale The figure schematically illustrates the principle of microfluidic mixing. On the left and right, two separate liquids enter the mixer: a lipid solution (left) containing the different lipid types and an mRNA solution (right) containing freely dissolved mRNA strands. In the central microfluidic channel, both streams meet and are intensely mixed.
As a result, a spontaneous and highly precise process occurs:
- The ionizable lipid becomes positively charged → it attracts the negatively charged mRNA.
- The mRNA is „wrapped” and encapsulated.
- The other lipids arrange themselves around it to form a stable outer shell.
This automatically generates a nanoparticle with a typical size of 60–100 nm. It is therefore not a „manual packaging” process, but rather a biophysical self-assembly process – the molecules spontaneously organize into the correct structure.

Fig. 1.1.5-C: How two liquids become a nanoparticle: microfluidic formulation The figure shows in four steps how mRNA and lipids spontaneously organize into a lipid nanoparticle during formulation.
1) As soon as mRNA and ionizable lipids come into contact, the positively charged lipid head groups immediately bind to the negatively charged phosphate backbone of the mRNA and begin to tightly wrap around the strand.
2) As a result, the mRNA contracts locally, becomes more compact and continues to condense.
3) In this way, an initial „core” of mRNA–lipid complexes is formed. Additional ionizable lipids then accumulate around it, along with phospholipids, cholesterol, and PEG-lipids. Together, they stabilize the emerging structure while the mRNA becomes progressively more tightly enclosed.
4) Finally, a densely packed, nearly spherical nanoparticle is formed. Its shape is not determined by external control but solely by the physicochemical properties of the molecules – an example of spontaneous self-organization on the nanoscale.
Fig. 1.1.5-D: Formulation step: preparation of the LNP–mRNA dispersion The formulated LNPs now constitute the final drug substance concentrate, which is subsequently filled under sterile conditions in the next step.

Fig. 1.1.5-E: Schematic of sterile filling of the mRNA drug substance concentrate A vaccine vial contains a very large number of individual lipid nanoparticles, typically in the range of 10¹³–10¹⁴ particles per vial.
1.2. Impurities and Byproducts
The production of a functional mRNA involves several sequential process steps – from the amplification of the DNA template to the processing and formulation of the RNA. In nearly every one of these steps, by-products, impurities, or residual substances are also generated alongside the desired product.
1.2.1. Typical impurities in bacterial production
1.2.2. Typical impurities and by-products after in vitro transcriptionFor the safety and efficacy of the therapeutic product, their identification and subsequent removal in the downstream process is crucial.
In this section, we take a look at the most important potential impurities and by-products and their known biological activities.
✧ ✧ ✧
1.2.1. Typical impurities in bacterial production
After bacterial cell lysis, the plasmid DNA is present in a complex reaction mixture. In addition to the desired plasmid DNA, the solution contains chromosomal DNA, bacterial RNA, proteins, enzymes (including RNases), endotoxins, and fragments of the cell wall.

Fig. 1.2.1: Reaction mixture after bacterial lysis (not to scale) The figure schematically shows the composition of the solution after disruption of the E. coli cells in which the plasmid was amplified. In addition to the desired plasmid DNA, which contains the expression cassette for the mRNA, numerous bacterial components and process-related substances are present. The depicted components are embedded in a protein-rich cytosolic matrix derived from the bacterial cytoplasm (yellow background).
This complex and heterogeneous mixture illustrates that the plasmid DNA must first be isolated from a highly contaminated biological environment before it can be used as a template for in vitro transcription.
✧ ✧ ✧
1.2.2. Typical impurities and by-products after in vitro transcription
Although in vitro transcription (IVT) is an efficient enzymatic method for producing mRNA, the reaction does not yield a pure final product. After synthesis, a complex mixture is present that, in addition to the target mRNA, contains various process-related impurities and by-products.

Fig. 1.2.2: Reaction mixture after in-vitro transcription (not to scale) The figure schematically illustrates the complex composition of the IVT reaction solution. In addition to the desired, fully processed mRNA (target molecule), the mixture contains various RNA by-products such as uncapped, degraded, or abortive RNA, double-stranded RNA, and RNA:DNA hybrids. Additional components include:
IVT products
Linear plasmid DNA: DNA template containing the expression cassette for the spike protein.
T7 polymerase: Enzyme that recognizes the T7 promoter and synthesizes the mRNA.
Nucleotides: Building blocks of mRNA synthesis – cytosine (C), guanine (G), adenine (A), and N1-methylpseudouridine (m¹Ψ) instead of uridine (U). Uridine is listed because small amounts of U may remain from the production of modified nucleotides.
Cap analogs: Synthetic cap analogs used during IVT to form the Cap-1 structure and which may remain in excess after the reaction.Potential impurities
RNases: Enzymes that can cleave and degrade RNA; they may be introduced unintentionally via raw materials or bacterial residues.
Endotoxins: Components of the outer membrane of Gram-negative bacteria such as E. coli.
Solvent residues: Traces from the production and purification of starting materials.
Metal ions: Trace impurities from raw materials, process water, or production equipment.Overview: Typical RNA by-products after IVT (before purification)
a) Abortive mRNA
b) Degraded mRNA
c) Uncapped mRNA
d) Double-stranded RNA (dsRNA)
e) RNA:DNA hybrids⚬ ⚬ ⚬
a) Abortive mRNA
At the start of transcription, T7 RNA polymerase binds tightly to the promoter and forms a stable initiation complex. However, the transition from this initiation phase into productive elongation is mechanically unstable.
The polymerase locally unwinds the DNA around the transcription start site and begins synthesizing a short RNA strand. In doing so, it pulls DNA into the enzyme without itself moving forward along the DNA. This so-called scrunching leads to the accumulation of mechanical stress within the transcription complex, as the enzyme remains anchored at the promoter while continuously drawing in more DNA.
If the polymerase is unable to relieve this tension by releasing from the promoter and transitioning into the elongation phase, the DNA snaps back into its original configuration. The short RNA fragment that has already been synthesized is released – resulting in an abortive transcript.
This process can repeat multiple times, meaning that a single polymerase can produce numerous abortive RNA fragments before successfully completing a full transcription event. Only once an RNA length of typically around 8–14 nucleotides is reached does the polymerase escape the promoter and form a stable elongation complex.
Appearance
Abortive RNAs are very short RNA fragments, typically only 2–10 nucleotides (nt) long, that arise during the unstable initiation phase of transcription. Despite the use of co-transcriptional capping strategies in which a cap analog serves as the initiating nucleotide, most abortive transcripts do not reach the length required for stable cap incorporation. Consequently, they predominantly exist as uncapped fragments carrying a 5′ triphosphate end. Only in rare cases – typically in longer abortive transcripts of approximately 10–12 nucleotides – can a cap analog be formally incorporated.

Fig. 1.2.2-A: Abortive RNAs are schematically shown with a free 5′ triphosphate (ppp) and, due to the unstable initiation phase, do not reach a cap-containing elongation form. Biological impact
The biological effects of abortive RNA fragments are not yet fully understood. Individual isolated fragments of only a few nucleotides are generally too short to activate known innate immune RNA sensors and are not translated into proteins.
The potential risk therefore lies less in the individual 2–10-nt fragments themselves, but rather in possible secondary effects:
Double-strand formation: Short RNA fragments could act as primers or contribute to the formation of short double-stranded RNA molecules.
Complex formation: High amounts of such fragments could aggregate into more complex structures or potentially reduce the efficiency of downstream purification steps.
Non-specific stress effects: A high concentration of short RNA fragments could transiently increase cellular stress, even if they are rapidly degraded.BioNTech notes that abortive by-products in the cytosol (the fluid interior of the cell) of transfected cells (cells into which the mRNA has been introduced) may potentially interact in unknown ways with endogenous RNAs or pattern recognition receptors (PRRs), which highlights the need for further research. [Understanding the impact of in vitro transcription byproducts and contaminants]
Approximate proportion (before purification)
BioNTech reports that approximately 44% of T7 RNA polymerases produce abortive transcripts before a full-length transcription is achieved. As a result, abortive RNAs can be the most frequent RNA species in terms of molecule number in the crude reaction mixture. However, under standard IVT conditions, they account for less than 1% of the total RNA mass. The exact proportion of abortive RNAs strongly depends on the template sequence and the reaction conditions.
b) Degraded mRNA
In contrast to abortive mRNA, degraded mRNA consists of formerly complete or long mRNA strands that have been partially or completely destroyed by external influences or enzymatic processes. Degradation can occur through several mechanisms:
Enzymatic degradation by RNases: This is the most common cause of degradation during and after IVT. RNases (ribonucleases) are extremely stable enzymes that are found almost everywhere (e.g. on skin, in dust, or in raw materials). They cleave RNA at specific or structurally preferred sites. Even minimal contamination of the reaction mixture can cause freshly synthesized mRNA to break down into fragments.
Chemical/physical degradation: Due to its chemical structure, RNA is significantly less stable than DNA. Elevated pH values, high temperatures, or certain metal ions promote hydrolytic cleavage of the RNA backbone and lead to strand breaks.
Mechanical degradation: If the solution is exposed to high shear forces – for example through vigorous stirring or pumping through narrow tubing – long mRNA strands can physically tear apart. This tends to generate relatively large fragments rather than the fine fragments typically caused by RNases.
Premature termination during elongation: Strictly speaking, this is not classical degradation, but rather incomplete mRNA generated during synthesis itself. If the polymerase prematurely dissociates from the DNA template during elongation – for example due to strong secondary structures or limited nucleotide availability – a shortened mRNA molecule is produced that lacks the 3′ end and therefore the poly-A tail.
Appearance
Degraded mRNA exists as a mixture of fragments of varying lengths. These fragments may contain individual strand breaks or may be extensively degraded, and they often lack a complete 5′ cap and/or poly-A tail.

Fig. 1.2.2-B: This schematic illustration shows degraded mRNA … as a heterogeneous mixture of fragments that can arise during or after in vitro transcription. In contrast to intact, full-length mRNA (shown below as a reference), the degradation products vary in length and display characteristic damage: lost or damaged 5′ cap structures, exposed 5′ triphosphates (ppp) – which become exposed upon cap loss, shortened poly-A tails, and internal strand breaks. The fragments do not exist as a uniform species, but rather as a complex mixture.
Biological impact
Degraded mRNA is not a uniform substance but a heterogeneous mixture. Not all fragments are biologically problematic. The greatest risk arises from fragments that carry specific immunological danger signals, including:
- exposed 5′ triphosphates, which are recognized by cytosolic RNA sensors such as RIG-I,
- short double-stranded RNA structures that arise through secondary structure formation or hybridization and can activate receptors such as MDA5 or TLR3,
- unusual end structures (missing cap or poly-A tail), which may be recognized as „FOREIGN”.
Such fragments can trigger innate immune responses and impair the tolerability of the mRNA formulation.
Approximate proportion (before purification)
The proportion of degraded mRNA varies strongly depending on process conditions. Typically, it lies in the range of about 1–10% before purification. However, in well-optimized IVT processes, this fraction is deliberately reduced to a minimum.
c) Uncapped mRNA
In modern IVT processes, the 5′ cap structure is often introduced co-transcriptionally using so-called CleanCap analogs. These are synthetic initiator oligonucleotides that already contain the complete 5′ cap structure, including the first transcribed nucleotide.
T7 RNA polymerase specifically uses CleanCap to initiate transcription; unlike classical cap analogs, there is no direct competition with GTP, the natural initiating nucleotide. As a result, predominantly correctly capped mRNA molecules are produced, while the proportion of uncapped mRNA is greatly reduced.
Appearance
Uncapped mRNA exists as a full-length RNA sequence but is characterized by the absence of the 5′ cap structure at its 5′ end.

Fig. 1.2.2-C: This illustration visualizes mRNA molecules that lack the functional 5′ cap. Instead, they carry an immunogenic 5′ triphosphate (ppp). Biological impact
Cells possess specialized enzymes that efficiently degrade RNA strands lacking a 5′ cap from the 5′ end. This mechanism serves to rapidly eliminate defective or aged endogenous RNAs.
Immune response: Uncapped RNA is recognized by cellular pattern recognition receptors such as RIG-I and can trigger a strong type I interferon response, placing the cell into an antiviral state.
In uncapped modRNA, the substitution of uridine with N1-methylpseudouridine (m¹Ψ) significantly reduces activation of these sensors. This creates a biological „tug-of-war” between the immunostimulatory uncapped 5′ end and the immunomodulatory nucleoside modification. Overall, uncapped modRNA would therefore act as a moderately immunogenic molecule but would still be degraded more rapidly than correctly capped modRNA.
Minimal protein production: Since the 5′ cap structure is also required for efficient ribosome binding, uncapped mRNA is translated into protein very poorly or not at all.
Approximate proportion (before purification)
The fraction of uncapped mRNA after IVT depends strongly on the capping strategy used. With modern co-transcriptional CleanCap approaches, the proportion of uncapped mRNA before purification typically lies in the range of approximately 1–6%.
d) Double-stranded RNA (dsRNA)
Another relevant by-product of in vitro transcription (IVT) is double-stranded RNA (dsRNA). While the desired vaccine mRNA is synthesized as a single-stranded molecule, RNA duplexes can also form during IVT in which two complementary RNA strands are linked via Watson–Crick base pairing.
The formation of such dsRNA species is not a random aggregation phenomenon but results from specific enzyme-mediated side reactions of T7 RNA polymerase.
Formation mechanisms
Promoter-independent transcription of the non-template strand
Under certain conditions, T7 RNA polymerase can synthesize RNA even without a canonical promoter initiation by reading the non-template strand of the DNA template. The resulting RNA molecules are largely complementary to the desired mRNA. When sense and antisense RNA strands encounter each other, they form extensive, nearly fully double-stranded RNA duplexes. This mechanism is particularly promoted when the DNA template is not fully linearized or when specific sequences are present at the 3′ end of the template.
Fig. 1.2.2-D1: Formation of dsRNA through promoter-independent transcription of the non-template strand (RNA is shown schematically; nucleoside modifications (e.g. m¹Ψ) are not explicitly depicted.)
1) The normal case: The T7 promoter has an exceptionally high affinity for T7 RNA polymerase. Therefore, the polymerase almost exclusively initiates transcription at this site. It reads DNA in the 3′ → 5′ direction and synthesizes a new RNA molecule exclusively in the 5′ → 3′ direction.
2) The result is the desired sense RNA, which corresponds exactly to the sequence of the non-template strand.
3) The special case: After run-off – the polymerase leaving the DNA template at the end of transcription – the enzyme dissociates from the DNA. In rare cases, it can bind nonspecifically to structurally accessible DNA ends. If it binds to the strand that was previously not used as a template, this strand becomes the new template.
Under certain reaction conditions, locally open or dynamically melting DNA regions may also form, allowing T7 RNA polymerase to bind in a promoter-independent manner. If this binding occurs on the previously unused strand, it is read as the template.
During promoter-independent transcription of the non-template strand, there is no defined initiation site, so no co-transcriptional capping occurs. The resulting antisense RNA therefore typically carries a free 5′ triphosphate (pppN).
4) The result is a complementary antisense RNA that corresponds to the sequence of the template strand.
5) Formation of long dsRNA duplexes: When sense RNA and antisense RNA encounter each other, double-stranded RNA (dsRNA) is formed. The resulting dsRNA by-products are not a homogeneous molecule but a structurally heterogeneous mixture of fully or partially complementary RNA duplexes. These may contain blunt ends or single-stranded overhangs and vary considerably in length and terminal structure.RNA-dependent 3′ end extension (self-priming)
A second key mechanism is RNA-dependent extension of the 3′ end of the freshly synthesized mRNA. In this process, the 3′ end of the RNA folds back intramolecularly due to complementary sequences, forming a short double-stranded RNA hairpin. T7 RNA polymerase can bind to this structure again and extend the RNA strand, generating a sequence that is complementary to the original RNA. This process is independent of the DNA template and can even occur in already fully transcribed RNA molecules.
Fig. 1.2.2-D2: Formation of dsRNA via RNA-dependent 3′ end extension (self-priming) (RNA is shown schematically)
1) Sense RNA: A normal, fully synthesized mRNA molecule.
2) Hairpin formation: The 3′ region folds back on itself. A short dsRNA stem (e.g. 5–10 base pairs) forms with a single-stranded loop.
3) Polymerase binding: T7 RNA polymerase binds to this dsRNA stem as if it were a DNA template–primer complex.
4) Extension: The polymerase uses one strand of the hairpin as a template and extends the free 3′ end along the complementary RNA region, thereby synthesizing the antisense sequence directly into the extension of the sense strand.
5) Result: The polymerase extends the strand as far as possible. The newly synthesized antisense RNA immediately hybridizes with the sense RNA. This results in a partially or fully dsRNA-containing RNA molecule.Distinction from RNA secondary structures
Single-stranded RNA naturally forms intramolecular secondary structures such as hairpins or internal loops (see upper figure – point 2). These are an integral part of functional mRNA and are typically short and thermodynamically flexible. Such structural elements are not considered dsRNA by-products in the strict sense and are not equivalent to the long dsRNA duplexes that are relevant as IVT impurities.Both mechanisms lead to the formation of longer, more stable dsRNA regions, which are structurally clearly distinct from the short, dynamic secondary structures of correctly transcribed mRNA.
Appearance
dsRNA by-products typically exist as long, partially or fully complementary RNA duplexes. They may span nearly the entire length of the target mRNA or contain extended double-stranded regions. These duplexes often lack a 5′ cap structure and may feature single-stranded overhangs at their termini.
Biological impact
dsRNA as a structural danger signal
Double-stranded RNA (dsRNA) is not a typical structural motif of endogenous, translatable mRNA in the cytoplasm of eukaryotic cells. This means that while cellular mRNAs are normally single-stranded and serve as templates for protein synthesis via translation, dsRNA occurs physiologically only in tightly regulated, short-lived contexts. The presence of dsRNA in the cytoplasm is therefore not primarily interpreted by the cell as genetic information, but as a structural warning signal.Cytosolic recognition of dsRNA
Cells possess specialized pattern recognition receptors (PRRs). These „danger detectors” patrol the cytoplasm and search for structural patterns such as duplex length, end structure, and chemical nucleotide modifications.Cytosolic dsRNA sensors and their immunological consequences
Feature / specificity Cellular sensor Biological consequence (for cell) Short dsRNA (≈ 10–300 bp) with 5′ triphosphate and/or blunt ends RIG-I (Retinoic acid-Inducible Gene I) short-ppp detector Induction of inflammatory gene expression (type I interferons, cytokines). Activation of neighboring cells. Long dsRNA (> ~500–1,000 bp), independent of end structures MDA5 (Melanoma Differentiation-Associated protein 5) long-duplex scanner Strong type I interferon response. Important antiviral defense mechanism. Medium-length dsRNA (≈ ≥30–100 bp) PKR (Protein Kinase R) intracellular effector Global shutdown of protein synthesis via phosphorylation of translation factor eIF2α. Inhibition of viral replication. Medium-length dsRNA (≈ ≥40–100 bp) OAS (2′-5′-Oligoadenylate Synthetases) intracellular effector Non-specific RNA degradation via activation of latent RNase L, which cleaves cellular and viral RNA. Can lead to cell death. dsRNA in endosomes (extracellularly taken up or phagocytosed dsRNA) TLR3 (Toll-like Receptor 3) gatekeeper receptor Induction of type I interferons and pro-inflammatory cytokines. Effect of m¹Ψ
The use of nucleoside-modified mRNA (modRNA), for example through the incorporation of N¹-methylpseudouridine, can significantly reduce the activation of certain cytosolic RNA sensors. RIG-I and PKR are particularly affected, as they preferentially respond to single-stranded RNA or short-lived dsRNA structures. In contrast, length-dependent sensors such as MDA5 are only partially modulated by this modification and remain largely sensitive to extended dsRNA duplexes.For this reason, dsRNA still possesses a high immunostimulatory potential even in the context of modRNA – meaning it can activate the immune system and trigger unwanted inflammatory responses. The efficient minimization of such dsRNA by-products through optimized transcription conditions, chemical modifications, and downstream purification processes is therefore a central aspect of mRNA manufacturing.
Approximate proportion (before purification)
The amount of dsRNA after IVT is highly process-dependent and is influenced by factors such as the quality of the DNA template, reaction conditions, and the polymerase used. Typically, the dsRNA fraction before purification is in the low single-digit percentage range, but under unfavorable conditions it can be significantly higher.
e) RNA:DNA hybrids
During in vitro transcription, under certain conditions, the newly synthesized RNA strand may not fully dissociate from the DNA template. It can remain partially bound to the template strand while displacing the complementary DNA strand. This leads to the formation of so-called RNA:DNA hybrids.
The formation of such hybrid structures is strongly sequence-dependent. In particular, purine-rich transcripts – RNA sequences containing high amounts of adenine and guanine – as well as DNA templates with repetitive GAA (guanine–adenine–adenine) motifs favor the formation of stable RNA:DNA duplexes. These by-products are often underestimated but can be experimentally detected using specific antibodies against RNA:DNA hybrids. [Understanding the impact of in vitro transcription byproducts and contaminants]
Appearance
RNA:DNA hybrids typically exist in the form of R-loop-like structures. These are locally restricted, three-stranded nucleic acid conformations consisting of:
- an RNA:DNA hybrid duplex,
- a displaced single-stranded DNA segment,
- and the adjacent double-stranded DNA outside the hybrid region.

Fig. 1.2.2-E: Schematic representation of R-loop formation during in vitro transcription The newly synthesized RNA strand partially hybridizes with the DNA template strand, displacing the complementary non-template strand. This forms an R-loop consisting of an RNA:DNA hybrid duplex and a displaced single-stranded DNA region, embedded within an otherwise double-stranded DNA region. Outside the R-loop, the DNA remains in its regular double-helical structure.
Biological impact
Current research suggests that RNA:DNA hybrids may be recognized by cellular pattern recognition receptors (PRRs). These sensors of the innate immune system include cGAS, TLR9, and the inflammasome protein NLRP3, which can bind such hybrid structures. Their activation can trigger an immune response, leading to the production of pro-inflammatory cytokines and type I interferons.
However, whether and to what extent RNA:DNA hybrid contaminants actually contribute to unwanted immune reactions in therapeutically administered IVT mRNA has not yet been systematically investigated.
Against this background, the efficient removal of RNA:DNA hybrid impurities from IVT mRNA appears to be a relevant aspect of quality assurance. This is particularly important for therapeutic applications in which strong immune activation is not desired. [Understanding the impact of in vitro transcription byproducts and contaminants]
Approximate proportion (before purification)
The proportion of RNA:DNA hybrids after in vitro transcription is highly process-dependent. It is influenced, among other factors, by the sequence and quality of the DNA template as well as by the reaction conditions. Overall, their fraction prior to purification is considered low, but it can vary depending on the specific transcript and process parameters. Reliable publicly available quantitative data on the exact amount of RNA:DNA hybrids in therapeutic mRNA products are not currently available, as such measurements are typically part of proprietary manufacturing and quality control knowledge.
** Another possible mechanism for the formation of RNA:DNA duplexes during DNase treatment is described in section „1.3.1. a) Possible post-transcriptional RNA:DNA hybridization”. **

1.3. Purification Methods in the Manufacturing Process
Because mRNA vaccines must meet extremely high purity requirements, purification is not a single isolated process step. Rather, it runs like a common thread throughout the entire manufacturing process.
The exact industrial workflow used by manufacturers such as BioNTech/Pfizer or Moderna is proprietary (company-internal) and is not fully disclosed. However, patents and regulatory documents indicate that a combination of established biotechnological purification methods is employed.
A schematic, cross-industry overview of mRNA manufacturing, illustrating the continuous integration of purification activities throughout the overall process, can be found for example in the technical documentation of Merck / Sigma-Aldrich. (Manufacturing strategies for mRNA vaccines and therapies, Figure 1).
Within the manufacturing process, three particularly critical purification phases can be distinguished in simplified form:
- before in vitro transcription (pre-IVT): purification of the DNA template,
- after in vitro transcription (post-IVT): purification of the synthesized mRNA,
- after formulation: sterile filtration of the lipid nanoparticle formulation.
Rather than discussing these phases strictly in chronological order, the following sections present the most important purification principles and methods that are repeatedly applied at different stages of the manufacturing process.
1.3.1. DNase I digestion – enzymatic DNA degradation
1.3.2. Proteinase K – enzymatic degradation of residual proteins
1.3.3. Filtration
1.3.4. Chromatography – the molecular separation method
1.3.5. Magnetic bead purificationThe following overview summarizes the key purification techniques. It serves as a framework for the subsequent detailed description of each method.
Method Removes Principle Advantages Limitations DNase I
digestionTemplate DNA Specific enzymatic degradation Highly selective, breaks down problematic nucleic acids Enzymes must be completely removed; otherwise risk of residual activity Proteinase K Enzymes from transcription (e.g. polymerases, ligase, restriction enzymes) Non-specific protein degradation Broadly effective, removes many protein types Additional purification to remove enzyme residues Filtration & TFF
(tangential flow filtration)Salts, nucleotides, small molecules, buffer residues; also enables concentration Size-based separation using membranes Scalable, robust, versatile (concentration + buffer exchange in one step) Does not distinguish similar nucleic acids; rather a „rough tool” Chromatography
(Poly(dT), AEX)dsRNA, short RNA fragments, residual nucleotides, proteins Separation by charge or specific binding to surfaces Very precise, separates closely related nucleic acids; well established in industry Technically demanding, cost-intensive, requires tight process control Magnetic bead purification
(Process 1)Selects mature polyadenylated mRNA; removes short fragments & impurities Poly(T)-coated beads bind specifically to the poly(A) tail of mRNA High specificity, fast and efficient separation Suitable for small to medium volumes; difficult to scale for large-scale production
1.3.1. DNase I digestion – enzymatic DNA degradation
Deoxyribonuclease I (DNase I) is an enzyme that cleaves DNA molecules into smaller fragments. This process is often referred to as „digestion” of DNA – a figurative term describing the enzymatic breakdown of long DNA strands into shorter pieces. In biotechnology, DNase I is used to selectively fragment unwanted DNA contaminants.
DNase I is therefore not a complete purification method on its own, but rather a preparatory step that facilitates subsequent physical and chromatographic separation processes.
In mRNA vaccine production, DNase I is used after in vitro transcription (IVT) to fragment the DNA template (template DNA) as well as any DNA component of RNA:DNA hybrids that may have formed and could affect product quality or safety.
DNase I recognizes the three-dimensional structure of DNA – specifically the sugar-phosphate backbone. The enzyme binds to DNA like a saddle and inserts itself into the so-called minor groove. In doing so, it locally bends the DNA structure to gain access to the phosphodiester bond. Because the width of the minor groove varies slightly depending on the base sequence, DNase I exhibits mild sequence preference, cleaving somewhat more readily at certain regions (e.g. A/T-rich stretches).

Fig. 1.3.1-A: Schematic representation of DNase I binding to double-stranded DNA. The typical B-form DNA is a slender, right-handed double helix resembling a spiral staircase with two grooves of different sizes (a major and a minor groove) winding around it. The enzyme preferentially interacts with the minor groove of the DNA duplex and binds to the sugar-phosphate backbone. This binding induces a local distortion of the DNA, enabling cleavage of the phosphodiester bond. The major groove is shown for completeness but does not play a primary role in DNase I binding.
DNase I cleaves DNA non-specifically, meaning it cuts at many different positions along the strand. It acts on both single-stranded DNA (ssDNA) and double-stranded DNA (dsDNA). Its activity depends on several factors, in particular the presence of metal ions, which influence the nature of the cleavage sites [bioswisstec, YEASEN]:
In the presence of magnesium ions (Mg²⁺), DNase I primarily introduces single-strand cuts („nicks”) in double-stranded DNA (dsDNA). This results in the formation of short dsDNA fragments with overhangs, as well as a smaller proportion of single-stranded DNA (ssDNA) fragments.
In the presence of manganese ions (Mn²⁺), DNase I cleaves both strands of dsDNA at nearly the same position, producing predominantly blunt-ended dsDNA fragments.

Fig. 1.3.1-B: Schematic representation of DNase I activity depending on metal ions Effectiveness of DNase I
The manufacturer Thermo Fisher Scientific describes the mode of action and limitations of DNase I digestion in the online article „DNase I demystified”. The article highlights that the effectiveness of DNase I strongly depends on the reaction conditions and the type of DNA substrate present.
We are now in the production process after in vitro transcription (IVT). The reaction mixture is a complex mix consisting of:
- the target mRNA (main component),
- RNA by-products (e.g. truncated transcripts, RNA:DNA hybrids),
- the DNA template (in relevant but lower amounts than mRNA),
- rare residual forms of non-linear plasmid DNA (e.g. supercoiled),
- enzymes, free nucleotides, salts, and buffer components.
Like many enzymes, the activity of DNase I is also influenced by the composition of the reaction mixture.
Factors influencing the effectiveness of DNase I digestion
Factor Mechanism Process relevance (mRNA production) Substrate accessibility DNase I preferentially cleaves accessible phosphodiester bonds; compact or topologically constrained DNA is less accessible. Supercoiled or strongly constrained DNA structures (e.g. rare plasmid residual forms) are degraded more slowly or incompletely. Substrate saturation High DNA amounts can saturate the enzyme; high RNA concentrations can influence spatial accessibility of DNA. In IVT mixtures with high nucleic acid load, an enzyme excess is required. Helix geometry The active site of DNase I is optimized for B-form DNA (deviations in helix structure reduce efficiency). RNA:DNA hybrids adopt an A-form-like helix → cleavage activity < 2% compared to dsDNA DNA structure (dsDNA vs ssDNA) Highest activity on dsDNA; activity on ssDNA is ~500-fold lower Short or partially single-stranded DNA fragments are degraded less efficiently. Ions in buffer Mg²⁺ is essential for catalytic activity; Ca²⁺ stabilizes enzyme structure Therapeutic processes require precisely controlled ion concentrations. Chelators Chelators (e.g. EGTA, EDTA) bind Ca²⁺/Mg²⁺ and inactivate DNase I. Residual buffer components from upstream steps can strongly reduce DNase activity. Salt concentration Increased ionic strength weakens electrostatic binding between enzyme and DNA. IVT buffer conditions may reduce activity → compensated by higher enzyme amounts. The Thermo Fisher Scientific article notes that it is „probably impossible to remove every last DNA strand from an RNA preparation”.
This highlights that the complete elimination of residual DNA is technically challenging. Even after careful DNase I digestion, short DNA fragments or RNA:DNA hybrids may remain.
These small DNA fragments are subsequently removed in downstream process steps – for example through magnetic bead purification (in process 1) or chromatography (in process 2) (cf. EPAR, section 2.2).

Fig. 1.3.1-C: Schematic representation of the DNase I digestion in the purification step In industrial mRNA production, DNase I digestion is performed immediately after in vitro transcription (IVT), as the reaction mixture already contains a Mg²⁺-based buffer suitable for enzyme activity. The Mg²⁺-dependent activity of DNase I predominantly leads to fragmentation of DNA into short double-stranded DNA fragments with nicks (strand breaks) and short overhangs. (Mn²⁺ is not used in industrial processes due to its less specific and less controllable cleavage activity.)
After completion of the reaction, DNase I is typically inactivated or removed, for example by heat treatment, addition of EDTA, or Proteinase K treatment, to ensure that no enzymatic activity affects the mRNA.
1.3.1. a) Possible post-transcriptional RNA:DNA hybridization
In addition to R-loop structures formed during in vitro transcription, a second potential pathway for the formation of RNA:DNA hybrids is discussed in the recent literature.
DNase I digestion fragments the remaining DNA templates into pieces of varying length – predominantly double-stranded, but in some cases also with single-stranded overhangs or as short single-stranded fragments.
Fragments whose sequence is complementary to the mRNA – in particular those derived from the template strand of the original DNA template – may, under suitable conditions, hybridize with the mRNA and form RNA:DNA duplexes.
For thermodynamically stable hybridization, contiguous complementary sequences of approximately 8–12 nucleotides or more are generally required. Very short overhangs of only a few nucleotides (e.g. 2–4 bases), as typically generated in a near-complete DNase digestion, are not sufficient to form stable binding interactions. This mechanism therefore requires the presence of sufficiently long complementary DNA fragments, such as those arising from incomplete digestion or specific fragmentation patterns.
Regarding enzymatic degradability, it should be considered that DNase I preferentially cleaves double-stranded DNA. RNA:DNA hybrids represent a structurally distinct substrate and are more efficiently degraded by specialized enzymes such as RNase H or DNase I-XT. In practice, this may mean that once formed, RNA:DNA hybrids are relatively more resistant to subsequent DNase I digestion than free DNA fragments. Additional stabilization may occur when such structures are encapsulated within lipid nanoparticles.
This proposed mechanism of post-IVT hybridization has not yet been comprehensively characterized experimentally. It is based on theoretical considerations and isolated experimental indications and should therefore be regarded as a plausible but not yet conclusively demonstrated possibility.

Fig. 1.3.1-II: Schematic representation of a possible post-transcriptional hybridization Short DNA fragments may, under suitable conditions, partially bind to complementary regions of the mRNA. In contrast to an R-loop, no three-stranded structure is formed; instead, a locally restricted RNA:DNA duplex arises.
1.3.2. Proteinase K – enzymatic degradation of residual proteins
Proteinase K is a broad-spectrum serine protease used in biotechnology to non-specifically hydrolyze proteins, breaking them down into smaller peptide fragments. It belongs to the class of proteases – enzymes that cleave peptide bonds between amino acids and thereby irreversibly disrupt the three-dimensional structure of proteins.
In mRNA vaccine production, Proteinase K can be applied at different stages of the process, in particular:
After cell lysis in plasmid production: Here, it serves to degrade bacterial proteins, nucleases, and other cellular components that could compromise the purity of the plasmid DNA.
After in vitro transcription (IVT): Following transcription, during which mRNA is synthesized from the DNA template, several enzymes remain in the reaction mixture, including T7 RNA polymerase as well as DNase I from the preceding process step. Proteinase K can be used to selectively hydrolyze these enzymatic residues, thereby further increasing the purity of the mRNA.
Mechanism of action
Proteinase K initially binds to accessible regions of a target protein and begins cleaving peptide bonds at those sites. These initial cuts progressively disrupt the protein’s compact three-dimensional structure. As destabilization increases, previously shielded internal regions become exposed, allowing the protein to gradually break down into increasingly smaller peptide fragments – effectively “falling apart.” At the end of the process, only short, biologically inactive peptide chains remain, which no longer retain enzymatic activity.

Fig. 1.3.2: Schematic representation of Proteinase K activity Proteinase K attacks DNase I and cleaves its peptide bonds. Initially, outer protein regions are hydrolyzed, leading to structural destabilization. Step by step, the protein breaks down into smaller fragments until only short, biologically inactive peptide fragments remain.
Proteinase K is itself a protein and is not retained in the final product. Its activity can be reduced by process conditions, for example through the removal of stabilizing calcium ions. In practice, however, Proteinase K is primarily removed physically: both the enzyme itself and the resulting peptide fragments are reliably eliminated in subsequent purification steps, particularly through ultrafiltration (e.g. tangential flow filtration) and chromatographic methods.
Relevance in the process
Through the targeted use of Proteinase K, residual process enzymes, bacterial proteins, and other protein contaminants can be effectively reduced. This creates well-defined starting conditions for subsequent filtration and chromatographic purification steps. The use of Proteinase K is not an obligatory component of every manufacturing process, but it increases the robustness and reproducibility of downstream processing, particularly in large-scale industrial production.
1.3.3. Filtration
Filtration is a physical separation process that separates particles or molecules primarily based on their size.

In this process, a mixture is passed through a porous filter material. In its simplest form, the pores act like a mechanical sieve: particles larger than the pore size are retained, while smaller molecules pass through.
a) Filtration – separation by size
b) Tangential flow filtration (TFF)
c) Sterile filtrationa) Filtration – separation by size
In plasmid purification, two fundamental principles are used:
- separation of insoluble particles (clarification), in order to clear a turbid suspension,
- separation of dissolved molecules by size (membrane filtration), for example to exchange buffers or concentrate molecules.
Clarification: Filtration after lysis of E. coli bacterial cells
Starting point: cell lysis
The addition of sodium hydroxide (NaOH) and the detergent SDS disrupts the lipid-rich cell envelope of the bacteria. Alkaline lysis affects not only membranes but also nucleic acids and proteins. The DNA double helix is denatured, and the long, fibrous chromosomal DNA is additionally mechanically fragmented. Under strongly basic conditions, proteins lose their three-dimensional structure and thus their biological function.Neutralization: system reorganization
Upon addition of an acidic solution, the alkaline reaction mixture is neutralized. Under these conditions, the small circular plasmid DNA molecules can correctly renature and remain in solution. In contrast, fragmented and mispaired chromosomal DNA as well as denatured proteins aggregate together with lipids and membrane components and precipitate as a whitish precipitate.Intermediate state
After alkaline lysis and neutralization, the sample exists as a two-phase system: a soluble phase containing plasmid DNA and an insoluble precipitate of aggregated components. These aggregates consist of fragmented genomic DNA, denatured proteins, ribosomal components, and membrane debris.Clarification and depth filtration
At industrial scale, these solids are efficiently removed by depth filtration. In this process, the suspension passes through a multilayer porous filter material. Particles are retained not only on the surface but also within the filter matrix, providing high loading capacity and effective clarification.Result
The clear filtrate contains the dissolved plasmid DNA, largely free of cell debris and precipitated aggregates. This crudely purified solution forms the basis for subsequent high-resolution chromatographic purification steps.
Fig. 1.3.3-A: The figure shows the cell lysate before and after depth filtration. After alkaline lysis, the lysate contains, in addition to the desired plasmid DNA, numerous bacterial components and process-related substances.
During subsequent neutralization, fragmented genomic DNA, denatured proteins, as well as lipids and membrane remnants form irregular, voluminous aggregates (depicted as clouds).
Through depth filtration, these precipitated aggregates are effectively removed. The resulting filtrate is a clear solution containing the dissolved plasmid DNA. In addition, soluble RNA residues, endotoxins (LPS), salts, buffer components, and small amounts of dissolved protein residues may still be present.Membrane filtration: ultrafiltration and diafiltration
A particularly important variant of membrane filtration in biotechnology is ultrafiltration (UF). It is used to separate dissolved macromolecules (e.g. nucleic acids or proteins) from smaller molecules such as salts, buffers, or nucleotides.
When fresh buffer is continuously added during ultrafiltration, the process is referred to as diafiltration (DF). This allows molecules not only to be concentrated but also to be transferred into a new solution in a controlled manner. UF and DF are often combined and referred to as the UF/DF process.
The predominant technique used to perform UF/DF is tangential flow filtration (TFF). [ROCKER]
✧ ✧ ✧
b) Tangential flow filtration (TFF)
In classical filtration methods (dead-end filtration or direct-flow filtration), the solution flows perpendicular to the membrane, causing large molecules to accumulate on the surface and form a „filter cake” layer. Over time, this reduces flow rate and membrane lifetime.
Tangential flow filtration (TFF) overcomes this limitation: here, the fluid moves tangentially along the membrane surface. A portion of the flow (the permeate) passes through the membrane, while the remaining stream (the retentate) continues to flow parallel to the surface and helps remove deposited material. As a result, the membrane remains permeable for longer periods, and concentration and diafiltration can be performed simultaneously.
Definitions:
Retentate: The fraction retained by the membrane (usually the desired macromolecule).
Permeate: The fraction that passes through the membrane (usually small molecules and impurities).
Fig. 1.3.3-B1: Dead-end filtration vs. tangential flow filtration In dead-end filtration, the entire feed stream flows perpendicular to the membrane. Small molecules (permeate) pass through the pores, while larger molecules are retained. Over time, this leads to the formation of a „filter cake”, which reduces efficiency.
In tangential flow filtration, the solution flows parallel to the membrane. While small molecules pass through into the permeate, larger molecules are carried along in the retentate stream. The tangential flow continuously washes the membrane surface, preventing fouling and maintaining stable, efficient filtration over extended periods.TFF is now a standard technique in biopharmaceutical production because it is robust, scalable, and versatile.
TFF in vaccine manufacturing
Tangential flow filtration (TFF) is used at multiple points during mRNA production: for example after transcription, after enzymatic processing steps, or before and after chromatographic purification steps. Its functions range from removing small molecules to buffer exchange and product concentration.
In this chapter, we focus on a central but not exhaustive purification step:
TFF directly after in vitro transcription (IVT)
Here, it is used for the initial („rough”) purification of freshly synthesized mRNA. It separates the mRNA from enzymes, reagents, and by-products, thereby preparing it for subsequent high-resolution purification steps.
Starting point: the „crude solution” after IVT, DNase I, and Proteinase K treatment
At this stage, the mRNA is present in a reaction-containing solution that still includes a variety of unwanted components:
- enzymes (e.g. T7 polymerase, DNase I),
- unconsumed nucleotides,
- residual DNA from the template,
- buffer salts,
- reaction by-products (e.g. short RNA fragments),
- any residual components from upstream biological processes.
To process the mRNA solution, it is passed through a filtration unit with membranes of defined pore size. Molecules below this cutoff – such as salts, nucleotides, or small protein remnants – pass through the membrane (permeate), while the large mRNA molecules are retained in the retentate.
During the process, fresh buffer is continuously added (diafiltration). This gradually washes out low-molecular-weight impurities while simultaneously transferring the mRNA into the desired buffer and concentrating it (ultrafiltration).

Fig. 1.3.3-B2: Schematic representation of tangential flow filtration (TFF) in mRNA processing The mRNA solution is continuously circulated through the UF/DF system. Small molecules pass through the membrane and are removed as permeate. A pump ensures that the retentate – the mRNA-containing fraction – is repeatedly recirculated across the membrane. Through repeated cycles and buffer addition, impurities are removed while the mRNA fraction is simultaneously concentrated and buffer-exchanged.
Important to note:
TFF is a coarse separation based on size. Impurities with a size or shape similar to mRNA – such as double-stranded RNA, RNA fragments of comparable length, or RNA:DNA hybrids – cannot be removed in this step. These critical by-products remain in the retentate and must be separated in subsequent high-resolution chromatographic purification steps.
✧ ✧ ✧
c) Sterile filtration
Sterile filtration is a key final step prior to filling an mRNA vaccine. In this process, the finished formulation (lipid nanoparticles containing the mRNA) is passed through a very fine filter. The pore size is sufficiently small to reliably retain all bacteria, fungi, and larger particles.
Principle of sterile filtration
Sterile filtration is a purely size-based sieving process:
- The membrane has precisely defined pores of 0,22 µm.
- Microorganisms are significantly larger and are retained.
- The active substance particles (LNPs) are much smaller (60–100 nm = 0,06–0,1 µm) and pass through the filter without difficulty.
Since no heat or chemical treatment is required, this step is particularly suitable for sensitive biological preparations such as mRNA-LNPs, which cannot be sterilized by autoclaving (steam, pressure, and heat).
Process in detail
The LNP-mRNA solution is present in formulation buffer. Sterile filtration is carried out in a cleanroom environment (Grade A/B) under strictly aseptic conditions. Only sterile single-use components are used: filters, tubing, bags, pump heads, and collection containers.
The formulation is gently driven through the 0,22 µm filter using low pressure (peristaltic pump or pressurized gas).
Retained by the filter:
▪️Bacteria (~0,5–5 µm)
▪️Yeasts / Fungal spores (~1–10 µm)
▪️Particles or aggregates > 0,22 µmPass through the filter:
▪️LNPs (60–100 nm)
▪️Buffer components
▪️Dissolved molecules
Fig. 1.3.3-B3: Schematic representation of sterile filtration This ensures that the formulation is free of microorganisms and visible particles.
Why sterile filtration is necessary
According to GMP guidelines, sterile medicinal products must be manufactured using validated sterile filtration processes. Sterile filtration is therefore mandatory and ensures that:
- the final vaccine solution is microbiologically sound,
- no large particles, aggregates, or contaminants enter the final product,
- the subsequent sterile filling („aseptic fill & finish”) can be performed correctly.
Sterile filtration is not a chemical purification step, but an essential safety and quality control process. It forms the bridge between the biotechnological purification of the mRNA and the final sterile medicinal product in the vial.
1.3.4. Chromatography – the molecular separation method
Chromatography is one of the most important methods for purifying biological molecules such as DNA, RNA, or proteins. The principle is based on the differing interactions of substances with two phases: a stationary phase (a solid support material within a column) and a mobile phase (a liquid solution that transports the sample mixture).
As the mobile phase – that is, the mixture of molecules to be separated – flows through the stationary phase, the individual molecules are retained to different extents depending on properties such as size, charge, or other chemical characteristics. This leads to temporal separation, in which the components of the mixture elute (are washed out) sequentially.
Put simply, chromatography can be thought of as a „molecular obstacle course”: some molecules interact only weakly with the stationary phase and pass through quickly, while others „stick” more frequently and are therefore delayed. As a result, each component reaches the end of the column at a different time and can be collected separately.
Chromatographic methods in mRNA purification
In industrial processes, such as those described by Merck („Manufacturing strategies for mRNA vaccines”), two chromatographic methods are commonly used in combination:
Method Separation principle Typical application Affinity chromatography
(Poly(dT))Specific binding Primary purification: isolation of intact mRNA from the IVT reaction mixture Ion-exchange chromatography Electrical charge Fine purification: removal of dsRNA, RNA:DNA hybrids, DNA fragments, and other product-related impurities ✧ ✧ ✧
a) Poly(dT) affinity chromatography
Poly(dT)-AC = Poly(dT) Affinity Chromatography
Affinity chromatography utilizes specific interactions between biomolecules and a functionalized surface. In the production of mRNA vaccines, poly(dT) affinity chromatography is specifically used to isolate mature mRNA from the complex reaction mixture after in vitro transcription (IVT).
Starting point: After in vitro transcription (IVT), enzymatic post-treatment, and tangential flow filtration (TFF)
Principle and process
Stationary phase: The resin in the column is coated with long single-stranded stretches of thymine (T) bases, known as a poly(dT) matrix.
Mobile phase: The pre-purified IVT solution – consisting of mRNA, RNA by-products (e.g. dsRNA, truncated transcripts), residual DNA fragments, and defined buffer salts – is applied to the column.
The target molecule is mature mRNA, i.e. „polyadenylated mRNA”. It carries a stretch of adenine (A) bases at its 3′ end, known as the poly(A) tail.
Specific binding via base pairing
Adenine (A) and thymine (T) form specific hydrogen bonds, as in DNA. Figuratively speaking, the poly(A) tail of the mRNA binds strongly to the poly(dT) „hooks” on the resin.
Fig. 1.3.4-A1: The mRNA binds to the poly(dT) resin via its poly(A) tail. The poly(A) tail of therapeutic mRNA typically consists of about 100–120 adenine bases; in the figure, it is shown in a shortened form for illustrative purposes.
Only molecules with an intact poly(A) tail bind strongly to the resin; all other components of the IVT reaction flow through. These include:
(a) residual free nucleotides (only in trace amounts)
(b) protein fragments from enzymatic degradation
(c) short RNA fragments without a poly(A) tail
(d) DNA fragments and DNA-containing by-products
(e) residual supercoiled plasmid DNA
(f) free dsRNA
(g) buffer salts
Washing
Wash buffers remove weakly bound, non-specifically adhering molecules, while the mRNA remains firmly attached to the poly(dT) matrix.Elution (release)
To release the purified mRNA from the „bait”, the specific interactions between A and T are deliberately disrupted. This is typically achieved by reducing ionic strength and/or moderately increasing the temperature. The mRNA detaches from the matrix and is eluted.
Fig. 1.3.4-A2: Schematic representation of poly(dT) affinity chromatography 1) The IVT reaction mixture is applied to a column functionalized with poly(dT).
2) Polyadenylated mRNA binds specifically to the resin via base pairing,
3) while non-binding components flow through.
4) A wash buffer removes weakly or non-specifically bound molecules.
5) Addition of an elution buffer releases the mRNA from the poly(dT) matrix, yielding it in purified form.Advantages
- very high selectivity due to poly(A)/poly(dT) hybridization
- efficient removal of most non-specific RNA and protein impurities
- enrichment of full-length, correctly polyadenylated mRNA
- comparatively simple and robust method
Limitations – why further purification steps are necessary
Despite its high specificity, poly(dT) affinity chromatography cannot remove all critical impurities:- dsRNA: may bind to the matrix via polyadenylated ends or through non-specific interactions
- RNA:DNA hybrids: if DNA is bound to mRNA, it is co-eluted together with it
- fragmented mRNA with residual poly(A) sequences also binds to the resin
- intramolecular dsRNA structures within mRNA can lead to co-elution
- larger RNA complexes associated with mRNA are co-purified
- endotoxins are not specifically removed and may co-elute
Manufacturers such as MERCK, Lonza, or Cytiva therefore recommend anion-exchange chromatography (AEX) as a subsequent step for fine purification, particularly for the removal of dsRNA and residual DNA contaminants.
✧ ✧ ✧
b) Ion-exchange chromatography
Ion-exchange chromatography (IEX) is a well-established method for purifying nucleic acids and proteins. It separates molecules based on their electrical charge. In nucleic acids, this charge arises from the high density of negatively charged phosphate groups along the molecule. In contrast, the charge of proteins depends on their specific amino acid sequence and folding and can include both positively and negatively charged regions.
Depending on the type of charged target molecules, two main types are distinguished:
▪️Anion exchangers (AEX, Anion Exchange Chromatography):
bind negatively charged molecules such as DNA or RNA.
▪️Cation exchangers (CEX, Cation Exchange Chromatography):
bind positively charged molecules, for example certain proteins.Due to their continuous phosphate backbone, nucleic acids carry a high and uniform negative charge density.
The sugar-phosphate backbone as the source of the negative charge in DNA/RNA
Schematic representation of the structural basis of the negative charge of nucleic acids


DNA (and analogously RNA) consists of a sugar-phosphate backbone, in which each phosphate group carries a negative charge. These regularly repeating phosphate groups give the molecule a high and uniformly distributed negative charge density along its length. The bases do not contribute to the overall charge.
This property makes anion-exchange chromatography (AEX) the method of choice for their purification. In the overall process, AEX is therefore used twice: first for the purification of the plasmid DNA template from the bacterial lysate. Then, after in vitro transcription (IVT) and initial crude purification, it is used for high-resolution separation of the desired mRNA from structurally similar impurities, in particular double-stranded RNA (dsRNA).
AEX in plasmid DNA purification
Starting point
After lysis of E. coli cells, neutralization, and subsequent depth filtration, a clarified lysate is obtained containing the plasmid DNA. In addition, residual bacterial RNA, endotoxins, salts, buffer components, and small amounts of dissolved protein residues may still be present.
Principle and process
Stationary phase: The support material (resin) consists of small, positively charged polymer beads. These serve as a binding surface for negatively charged molecules.
Mobile phase: The clarified lysate is applied to the column. Initially, negatively charged biomolecules – including plasmid DNA, RNA, and endotoxins – bind to the positively charged resin. Unbound or weakly charged components are removed with wash buffer.
The target molecule is plasmid DNA, which carries a uniformly distributed negative charge along its backbone.
Selective elution: Subsequently, a buffer with increasing salt concentration is passed through the column. The positively charged ions (e.g. Na⁺) in the buffer compete with the biomolecules for binding sites on the resin. As a result, molecules are released in a characteristic order depending on their charge density and binding strength:
- Endotoxins and small RNA fragments elute early, as they have a lower charge density.
- Plasmid DNA – predominantly in supercoiled, but also in relaxed circular form – binds most strongly due to its high negative charge density and therefore elutes only at higher salt concentrations.
Result
This selective elution yields a solution enriched in highly pure plasmid DNA, predominantly in the supercoiled form, with a smaller proportion of relaxed circular forms. Most other cellular components and impurities have already been removed. This DNA fraction subsequently serves as the template for the following in vitro transcription (IVT).
Fig. 1.3.4-B1: Schematic representation of AEX in plasmid DNA purification 1) The clarified cell lysate (mobile phase) is applied to a column with a positively charged stationary phase (anion-exchange resin). 2) Negatively charged molecules in the sample bind to the resin; non-bound or weakly bound components (salts, protein residues) elute early. 3) Elution begins: a buffer with increasing salt concentration is applied. Dissolved ions (e.g. Na⁺ and Cl⁻) compete with bound molecules for binding sites. At low to moderate salt concentrations, mainly short and/or single-stranded RNA fragments elute. 4) Plasmid DNA elutes only at higher salt concentrations due to its high, uniformly distributed negative charge density. Endotoxins (LPS) bind very strongly to the matrix, which is generally advantageous from a purification perspective. The only problematic fraction consists of components that may co-elute with plasmid DNA due to non-specific interactions or association with DNA.
After anion-exchange chromatography, the plasmid DNA is obtained in high purity. The product consists predominantly of supercoiled plasmid DNA and may contain small proportions of relaxed circular forms. In low concentrations, residual short RNA fragments or endotoxins may also be detectable, while cellular macromolecules and process-related impurities have largely been removed.
AEX in mRNA purification: separation of mRNA and dsRNA
Starting point: After in vitro transcription (IVT), enzymatic post-treatment, tangential flow filtration (TFF), and poly(dT) affinity chromatography
After these upstream process steps, a highly enriched mRNA fraction is obtained. However, this mRNA crude solution typically still contains certain by-products and impurities that cannot be fully removed by poly(dT) affinity chromatography, including:
(a) double-stranded RNA by-products (dsRNA)
(b) RNA:DNA hybrids (in low, process-dependent amounts)
(c) fragmented mRNA with residual poly(A) sequences
(d) incorrectly capped mRNA transcripts
(e) endotoxins (LPS), particularly when associated with nucleic acids
The subsequent anion-exchange chromatography therefore does not serve further enrichment of mRNA, but rather high-resolution removal of structurally similar RNA by-products.
Principle and process
Stationary phase: The stationary phase consists of positively charged anion-exchange resins, typically polymer beads functionalized with quaternary ammonium groups. These provide binding sites for negatively charged nucleic acids.
Mobile phase: The mRNA crude solution is applied to the column as the mobile phase. Under low salt conditions, negatively charged nucleic acids in the sample bind to the resin.
The target molecule is single-stranded mRNA. It carries a negative charge along its backbone but, due to its single-stranded nature, secondary structure, and flexibility, it has a lower effective charge density than double-stranded RNA.
Selective elution
In the next step, an elution buffer with increasing salt concentration is passed through the column. The ions in the buffer (e.g. Na⁺) compete with the bound RNA molecules for binding sites on the resin. As a result, the bound components are eluted stepwise according to their binding strength:
Single-stranded mRNA elutes at low to moderate salt concentrations, as its effective charge density is lower.
Double-stranded RNA (dsRNA) binds significantly more strongly to the anion-exchange resin and therefore elutes only at higher salt concentrations or may remain on the column.
RNA:DNA hybrids represent a particular challenge for chromatographic purification. Their binding properties lie between those of single-stranded RNA (ssRNA) and double-stranded RNA (dsRNA). This hybrid character results not only from the RNA:DNA duplex itself, but is also influenced by three factors: the length of the hybrid region, the proportion of free single-stranded RNA, and the three-dimensional conformation of the molecule.

Fig. 1.3.4-B2: Schematic representation of AEX for separation of mRNA and dsRNA The representation is simplified and shows each component only once as an example.
1) The mRNA-containing solution (mobile phase) – consisting of the desired mRNA, dsRNA, and other by-products – is applied to the column. The stationary phase consists of a positively charged anion-exchange resin. 2) Under low salt conditions, all negatively charged RNA molecules bind to the resin. Due to its higher charge density and more rigid helical structure, dsRNA binds more strongly than flexible single-stranded mRNA. 3) With the addition of a buffer of increasing salt concentration, competing anions (e.g. Cl⁻) are introduced. These gradually displace the bound RNA molecules from the column. First, weakly bound impurities such as short RNA fragments are released. 4) At low to moderate salt concentrations, the desired single-stranded mRNA elutes. Double-stranded RNA remains bound longer due to its stronger interaction and elutes only at higher salt concentrations or may partially remain on the matrix.
Result
Anion-exchange chromatography (AEX) enables the selective separation of mRNA from more strongly or more weakly binding nucleic acid structures such as dsRNA. This yields an mRNA fraction that is largely free of dsRNA contaminants and hybrid structures.
The purified mRNA obtained in this way serves as the starting material for subsequent formulation into lipid nanoparticles (LNPs).
✧ ✧ ✧
Interplay of chromatographic steps in IVT mRNA purification
The purification of IVT mRNA does not rely on a single separation technique, but rather on the deliberate combination of multiple chromatographic principles with complementary strengths and limitations.
Poly(dT) affinity chromatography is used for the highly selective enrichment of polyadenylated mRNA. It efficiently removes non-polyadenylated by-products, enzymes, and low-molecular-weight process components. However, due to its purely sequence-based binding mechanism, it cannot fully discriminate between structurally similar RNA impurities. In particular, dsRNA, fragmented mRNA with residual poly(A) stretches, and RNA:DNA hybrids may co-elute with the target mRNA.
The subsequent anion-exchange chromatography (AEX) addresses this limitation by separating the remaining nucleic acids based on their effective charge density and conformation. Single-stranded mRNA, double-stranded RNA by-products, and complex RNA structures exhibit characteristic, but partially overlapping, binding and elution profiles.
RNA:DNA hybrids occupy a special position in this context. Due to their hybrid structural nature, they cannot be clearly assigned to either single- or double-stranded RNA. Their chromatographic separability strongly depends on the extent of the hybrid region, the proportion of free single-stranded RNA, and the overall spatial organization of the molecule. Accordingly, RNA:DNA hybrids may, depending on process conditions, either co-elute with mRNA or remain bound to the column.
Only the stepwise combination of affinity and ion-exchange chromatography therefore enables the substantial removal of relevant RNA by-products without compromising the structural integrity of the sensitive mRNA. At the same time, this approach highlights that complete elimination of all potential hybrid and structural variants is technically challenging and strongly dependent on process conditions.
1.3.5. Magnetic bead purification
dT-MBP = Poly(dT)-magnetic bead purification
A method described in regulatory documents (EMA EPAR, section 2.2, p. 32) for the purification of PCR products in process 1 is the use of magnetic beads.
Starting point: After in vitro transcription (IVT), DNase I digestion, and filtration
After in vitro transcription (IVT), enzymatic post-treatment with DNase I, and an initial coarse purification step by filtration (UF/DF or TFF), an mRNA-containing solution is obtained. In addition to the desired mRNA, this still contains various transcription by-products, including:
(a) residual free nucleotides (only in trace amounts)
(b) protein residues (e.g. enzymes or protein fragments)
(c) RNA fragments with and without a poly(A) tail
(d) incompletely capped RNA
(e) double-stranded RNA (dsRNA), partially with polyadenylated strands
(f) RNA:DNA hybrids
(g) residual DNA template fragments (especially short fragments)
(h) buffer salts from previous process steps
Principle
Magnetic bead purification is based on sequence-specific affinity binding. Magnetic polymer beads are functionalized with oligo(dT) sequences that are complementary to the poly(A) tail of mRNA.
mRNA molecules with a poly(A) tail bind specifically to these oligo(dT) ligands, while molecules without a poly(A) sequence remain in solution.

Fig. 1.3.5-A: The mRNA binds to the poly(dT) on the magnetic beads via its poly(A) tail. The process consists of several steps:
Binding: Poly(dT)-functionalized magnetic beads are added to the solution. Polyadenylated RNA binds to the bead surface via specific A–T base pairing.
Magnetic separation: The vessel is placed on a magnetic rack. The beads with bound RNA are drawn to the wall of the container, allowing unbound components to be removed.
Washing: Several washing steps reduce non-specifically bound molecules. The washing conditions influence binding stringency but do not enable complete removal of dsRNA or RNA:DNA hybrids if they contain polyadenylated RNA.
Elution: Under suitable elution conditions (e.g. altered salt concentration or temperature), the bound RNA is released from the beads and transferred back into solution.

Fig. 1.3.5-B: Workflow of magnetic bead purification The representation is simplified and shows each component only once as an example.
1) Addition of magnetic beads: Poly(dT)-functionalized magnetic beads are added to the solution containing polyadenylated mRNA.
2) Mixing: The sample is gently mixed by rocking or brief rotation. Polyadenylated RNA hybridizes to the poly(dT) sequences on the magnetic beads via A–T base pairing.
3) Magnetic separation and removal of supernatant: The vessel is placed on a magnetic rack. The beads with bound RNA are pulled to the side of the tube, forming a compact bead aggregate. The liquid supernatant is carefully removed. It contains non-bound molecules such as DNA fragments, short RNA fragments, dsRNA without a poly(A) tail, buffer components, etc.
4) Washing steps: The magnet remains in place. Wash buffer is added to remove loosely bound or non-specifically adsorbed impurities. The sample is briefly mixed (gentle rocking), after which the beads are again attracted to the tube wall by the magnet. This step is repeated 2–3 times until loosely bound or non-specifically associated components are largely removed.
5) mRNA elution: After removal of the final wash buffer, the magnet is briefly removed. An elution buffer (e.g. low-salt water) or slightly elevated temperature disrupts the hybridization between polyadenylated RNA and poly(dT) oligos. The RNA is released back into solution.
6) Return to magnetic separation: The tube is placed on the magnet again, immobilizing the beads at the wall. The supernatant now contains the enriched polyadenylated RNA in elution buffer and is carefully transferred into a new sterile vessel.Note: dsRNA, RNA:DNA hybrids, or fragmented RNA containing poly(A) regions may co-elute during magnetic bead purification.
Separation performance and limitations
Magnetic bead purification is highly selective for polyadenylated RNA but has inherent limitations:
- dsRNA by-products may co-elute, especially if they contain poly(A) sequences or are structurally associated with mRNA
- RNA:DNA hybrids are co-purified if the RNA component is polyadenylated
- fragmented mRNA retaining a poly(A) tail also binds to the beads
- intramolecular double-stranded structures within mRNA are not selectively removed
For these reasons, magnetic bead purification does not represent a complete purification step but rather an enrichment and pre-purification stage.
Downstream purification
Since dsRNA and RNA:DNA hybrids with poly(A) regions may co-elute during magnetic bead purification, an additional purification step is generally required. This is often achieved using anion-exchange chromatography (AEX) or a comparable high-resolution separation method.Position in the manufacturing process
Poly(dT)-based magnetic bead purification is mainly used at laboratory scale, in process development, and in smaller production volumes. For large-scale industrial manufacturing processes (process 2), however, it is less practical, as magnetic separation becomes less efficient with increasing volume and handling becomes more complex. Therefore, scalable chromatographic methods are predominantly used in industrial production.Further details on its application can be found in the manufacturer documentation of Thermo Fisher Scientific.
1.4. Comparison: Process 1 vs. Process 2
The following overview compares the two manufacturing processes, showing which starting materials and by-products arise at each stage and which methods are typically used to remove them.
Typical steps – depending on the manufacturer:
Feature
Process 1 – PCR-based
Process 2 – plasmid-based
Type of process
Laboratory process
(small-scale, flexible)Industrial process
(large-scale production)
DNA template
Minimalistic.
Contains only the essential elements required for IVT:
• T7 promotor
• 5′ UTR
• Spike gene
• 3′ UTR
• Poly(A) sequenceComplex.
Includes additional elements required for propagation in E. coli:
• Origin of Replication (ORI)
• Antibiotic resistance gene
• bacterial REgulatory sequences
• Multiple Cloning Site (MCS)
• SV40 sequence elements
(for Pfizer/BNT)
Template structure
[T7] – [5′ UTR] – [Spike gene] – [3′ UTR] – [AAAA…]
[ORI] – [Resistance gene] – [bREs] – [MCS] – [SV40] – [T7] – [5′ UTR] – [Spike gene] – [3′ UTR] – [AAAA…]
DNA amplification
PCR-based amplification
Plasmid propagation in E. coli (bioreactor)
Pre-IVT preparation
/
Cell lysis: release of plasmid DNA + bacterial debris
Linearization: restriction enzyme cuts plasmid at a defined site
Impurities before IVT
PCR fragments: enzymes, primers, nucleotides, salts
Bacterial components: host DNA, RNAs, proteins, endotoxins, lipids, cell wall fragments, …
Purification
of PCR DNA
of plasmid DNA (pDNA)
Methods
Silica binding, UF/DF
TFF + multistep chromatography
Effort
moderate
high
IVT (in vitro transcription)
Template: PCR DNA
Expression cassette:
[T7] – [5′ UTR] – [Spike gene] – [3′ UTR] – [AAAA…]
→ mRNA is synthesizedTemplate: linearized pDNA
Expression cassette:
[T7] – [5′ UTR] – [Spike gene] – [3′ UTR] – [AAAA…]
→ mRNA is synthesized
IVT processing
5′ cap and poly(A) tail are generated either during or immediately after IVT depending on the process
→ functional mRNA obtained5′ cap and poly(A) tail are generated either during or immediately after IVT depending on the process
→ functional mRNA obtained
Impurities after IVT (*)
Removal of IVT by-products:
template DNA, RNA fragments, RNA:DNA hybrids, double-stranded RNA (dsRNA), enzymes, salts, free nucleotidesRemoval of IVT by-products + removal of additional plasmid- and bacterial-derived impurities (more challenging)
Purification
of mRNA
of mRNA
Upstream burden
low – moderate
high
Methods
▪️DNase I digestion
▪️Precipitation or centrifugation
▪️UF/DF or TFF
▪️Magnetic bead purification (**)▪️DNase I digestion
▪️Proteinase K Treatment (**)
▪️UF/DF and/or TFF (**)
▪️Multistep chromatography
Effort
moderate
high
LNP formulation
mRNA is packaged into lipid nanoparticles
mRNA is packaged into lipid nanoparticles
Sterile filtration
removes microbial contamination risk
removes microbial contamination risk
Filling
aseptic sealing and labeling
aseptic sealing and labeling
Advantages
very fast, highly flexible
highly scalable, cost-efficient mass production
Disadvantages
PCR-based methods are only limitedly suitable for large-scale industrial production volumes
template contains many bacterial elements → significantly higher purification effort
(*) Although the post-IVT reaction mixtures for process 1 and process 2 may appear similar at first glance, their „upstream burden” differs qualitatively. Upstream burden refers to the amount and complexity of accompanying substances present prior to purification. Plasmid-based processes introduce more structurally complex DNA forms, a higher tendency for hybrid formation, and trace bacterial-derived impurities that, even after DNase digestion, make subsequent mRNA purification more demanding.
(**) Information on the manufacturing process according to the EMA „EPAR for the BioNTech/Pfizer COVID-19 vaccine” (Section 2.2, p. 32).
Terminology:
T7 promoter – start signal for transcription
5′ UTR – stabilizes the mRNA
Spike gene – blueprint for the protein
3′ UTR – stop signal and stabilizing element
Poly(A) sequence – protects against premature degradationUTR stands for untranslated region – a segment of mRNA that is not translated into protein. These regions are located before the coding sequence (5′ UTR) and after it (3′ UTR). They perform important regulatory functions (see step 4).
Origin of replication (ORI) – starting point for plasmid replication
Antibiotic resistance gene – enables selection in E. coli
Regulatory bacterial sequences – control expression of the resistance gene
Multiple cloning site (MCS) – short region containing restriction sites for inserting the target sequence
SV40 sequence elements – regulatory viral sequences used in certain applications in eukaryotic cell culture (in Pfizer/BNT)
1.5. Summary: Production and Purification of modRNA
The production of modified mRNA for therapeutic and prophylactic applications is a multistep process that extends well beyond the actual in vitro transcription. The goal is to obtain from a complex reaction mixture a highly homogeneous, functionally active RNA molecule that is efficiently translated in cells while inducing only a controlled and desired immune response.
From DNA template to mRNA crude solution
The starting point of production is a defined DNA template, which serves as the template for RNA synthesis during in vitro transcription. Even at this early stage, various by-products are inevitably generated alongside the desired mRNA, including truncated transcripts, double-stranded RNA structures, RNA:DNA hybrids, and improperly processed RNA molecules. These by-products are not exceptions but a well-known consequence of enzymatic transcription under technical conditions.
After completion of transcription, the DNA template is typically enzymatically degraded. This is followed by an initial coarse purification step, such as filtration or tangential flow filtration, which removes small molecules, excess reagents, and enzymes. At this stage, a concentrated mRNA-containing solution is obtained; however, it remains structurally heterogeneous.
Enrichment of the target mRNA
To selectively enrich the desired mRNA, poly(A)-based affinity methods are employed. These include both classical poly(dT) chromatography and poly(dT)-functionalized magnetic beads. These approaches use the poly(A) sequence of mRNA as a selection feature and enable efficient separation of non-polyadenylated RNA fragments and many accompanying impurities.
At the same time, a key limitation of these methods becomes apparent: anything carrying a poly(A) sequence or structurally associated with polyadenylated RNA may be co-purified. This includes fragmented mRNA molecules, certain dsRNA by-products, and RNA:DNA hybrids, provided that the RNA component is polyadenylated. Poly(A)-based methods are therefore highly selective enrichment techniques, but not complete purification methods.
High-resolution separation by chromatography
To further reduce remaining structural heterogeneity, high-resolution separation techniques are applied, in particular anion-exchange chromatography (AEX). This method exploits differences in effective charge density and conformation of nucleic acids to separate single-stranded mRNA from more strongly bound by-products such as dsRNA.
AEX represents a critical step for the targeted depletion of immunologically active impurities. At the same time, it also highlights that certain molecular classes – especially RNA:DNA hybrids – do not exhibit uniform chromatographic behavior and may elute differently depending on their structure. Their complete removal therefore requires careful process design and, where necessary, the combination of multiple purification steps.
Classification and outlook
Overall, the production of modified mRNA is not a linear „input–output” process, but rather a finely tuned interplay of enzymatic, physical, and chromatographic methods. Each purification step reduces sample complexity, but none achieves absolute separation of all theoretically possible by-products.
Against this background, it is scientifically more appropriate to consider not only the final product itself, but also the logic of the manufacturing and purification process when discussing potential residual components such as DNA fragments or RNA-associated impurities. The key question is therefore less whether such residual components can arise in principle, but rather in which forms, at what levels, and with what biological relevance they may remain in the final product.
In view of the described manufacturing and purification processes, a central question emerges: how remaining nucleic acid components – particularly potential residual DNA – can be reliably detected and quantified.
The second part therefore addresses analytical detection methods, regulatory thresholds, and published experimental data on residual DNA in mRNA-based vaccines.
Further part of the article series
Part 2: Detection Methods and the Current State of Research
Current as of June 2026.
-
Residual DNA in modRNA-Based Vaccines – Part 2

Guide to the Article Series
Part 1: Production and Purification of modRNA
Part 2: Detection Methods and Current EvidenceFollowing the discussion of manufacturing and purification processes in Part 1, the focus now shifts to the analytical aspects of the debate. Whether residual DNA is present in modRNA-based vaccines, and in what quantities, depends crucially on the methods used to detect and characterize it.
The detection of residual nucleic acids is methodologically challenging. Different lysis procedures, extraction methods, and analytical platforms can lead to significantly different results. This not only complicates the interpretation of individual studies, but also raises the fundamental question of what exactly a given measurement captures under specific experimental conditions.
Part 2 therefore examines the most important analytical methods for detecting DNA and RNA, their methodological limitations, and the independent studies published to date on residual DNA in modRNA-based vaccines. Particular attention is given to the interpretive value of the methods used and the comparability of the reported results.
Note on terminology
📑
In general usage, the term „mRNA vaccine” is common. From a technical perspective, however, the approved products consist of nucleoside-modified mRNA (modRNA). For reasons of clarity and readability, this work primarily uses the established term „mRNA vaccine”.Table of contents
2. Methods for Measuring DNA and RNA
3. Guidelines for Limiting Residual DNA in Vaccines
4. Experimental Studies on residual DNA in mRNA-based Vaccines
5. Conclusion and Outlook

2. Methods for Measuring DNA and RNA
The analytical determination of RNA concentrations and residual DNA is a key component of quality control for modRNA-based pharmaceuticals. During the manufacturing and purification processes, complex mixtures of nucleic acids are generated, whose composition must be characterized and monitored using appropriate analytical methods. The objective is to reliably assess both the integrity and quantity of the desired mRNA, as well as possible residual components such as DNA fragments.
No single method is capable of addressing all analytical questions equally well. Rather, the available techniques differ with regard to sensitivity, specificity, quantifiability, and structural resolution. Some methods allow rapid determination of total nucleic acid concentration, while others enable the selective detection of specific DNA sequences or even the direct sequence analysis of individual molecules.
Against this background, the following sections provide a systematic overview of different methodological approaches – beginning with fundamental spectrophotometric techniques, continuing through fluorescence-based quantification methods and amplification-assisted detection procedures, and extending to sequencing-based technologies. The presentation follows a progression of increasing analytical resolution: from global concentration measurements to sequence-specific identification of individual nucleic acid components.
In addition to the functional principles of each method, their detection limits and methodological constraints are also considered, as these are of critical importance for the interpretation of possible residual DNA findings.
2.1. Spectrophotometric Methods
2.2. Fluorescence-based Quantification
2.3. Amplification-based Methods
2.4. Sequencing-based Methods
2.5. Electrophoretic Fragment Analysis
2.6. Comparison of Key Detection Methods for Nucleic Acids
2.1. Spectrophotometric Methods
Spectrophotometric methods are based on the interaction of light with matter. The intensity of light is measured before and after passing through a sample as a function of wavelength. From the measured absorption, the concentration of the substances present can be inferred under defined conditions.
UV/Vis spectrophotometry is an established method for determining total nucleic acid concentration and is used at several stages of mRNA production. It is characterized by rapid execution, low sample consumption, and comparatively low cost.
When is photometry used?
In the manufacturing process, three relevant measurement time points can typically be distinguished:
After in vitro transcription: to estimate whether the transcription reaction was successful and what total nucleic acid yield was achieved.
After purification: as a rapid control step to verify whether the mRNA concentration is within the expected range.
Before formulation: prior to encapsulation in lipid nanoparticles, the mRNA concentration is measured again, since the mixing ratio between lipids and mRNA is critical for particle formation.
It should be noted that this method cannot distinguish between RNA and DNA and therefore primarily provides an indicative measurement of total nucleic acid concentration.
Typical workflow in the manufacturing process
After purification of the mRNA and before LNP formulation, the mRNA drug substance batch undergoes a concentration measurement. For this purpose, a small sample is taken from the process vessel under controlled conditions.
Two types of instruments are available for this measurement, which differ in their handling:
UV/Vis spectrophotometers: The sample is placed into a cuvette – a small, usually rectangular container made of UV-transparent material (e.g., quartz glass). The cuvette is inserted into the instrument, where the measurement is performed.
Microvolume spectrophotometers (e.g., NanoDrop): A tiny droplet (0,5–2,0 µl) is pipetted directly onto a measurement pedestal. A second (folded-down) pedestal forms a defined liquid column between the two optical surfaces via surface tension. The major advantage is that neither cuvettes nor significant sample volumes are required. These instruments are commonly used for DNA and RNA measurements.
Regardless of the instrument type, the actual spectrophotometric analysis takes only a few seconds. Immediately after the measurement, the result is displayed on the screen.

Fig. 2.1-A: UV/Vis spectrophotometer vs microvolume spectrophotometer The path of light in a spectrophotometer
1️⃣ Light generation: The light source is a broadband UV/Vis lamp, for example a xenon flash lamp, which emits short, intense pulses of light covering the entire UV and visible spectrum.
2️⃣ Wavelength selection: The light passes through the entrance slit into the monochromator, where it is separated into its spectral components by a movable diffraction grating. To determine the mRNA concentration, the grating is set so that light with a wavelength of 260 nm – the absorption maximum of nucleic acids – is directed onto the sample.
3️⃣ Light guidance to the sample: A system of mirrors and lenses focuses the monochromatic light beam and precisely directs it onto the sample – either onto the cuvette or directly onto the suspended sample droplet.
4️⃣ Interaction with the sample: A portion of the light is absorbed by the nucleic acid molecules, while the remainder is transmitted through the sample.
5️⃣ Detection: The transmitted light reaches a detector (e.g., a photodiode or a CCD sensor), which measures the incoming light intensity.
6️⃣ Calculation: The instrument compares the measured intensity with the intensity of the incident light (reference measurement without a sample). Based on the ratio of incident to transmitted light intensity, the instrument calculates the absorbance in accordance with Lambert-Beer’s law; given the known layer thickness, this allows the concentration of nucleic acids in the sample to be determined.

Fig. 2.1-B: Schematic representation of a UV/Vis spectrophotometer Why do RNA and DNA absorb at 260 nm?
The absorption of UV light at 260 nm is a characteristic property of the nucleobases – the „letters” that make up the genetic code. Since these bases are nearly identical in RNA and DNA, both molecules exhibit very similar absorption behavior.
The secret lies in their chemical structure: the bases contain so-called aromatic rings. In these rings, electrons are not fixed between specific atoms but are distributed across the entire ring system. These „delocalized electrons” can be imagined as a kind of electron cloud spread over the molecule.

Fig. 2.1-C: The molecular building blocks of nucleic acids The illustration shows the two types of bases: the larger double-ring structures (purines: A and G) and the smaller single-ring structures (pyrimidines: C, T, and U). Despite their different sizes, both types contain a system of alternating double bonds. This allows the electrons to be delocalized across the entire ring system, forming a shared electron cloud.
When a photon (a particle of light) with a wavelength of around 260 nm encounters this electron cloud, its energy precisely matches the energetic properties of the electrons in these rings. An electron absorbs the photon’s energy entirely and is thereby promoted to a higher energy level – the so-called excited state. The energy of the photon is fully transferred to the electron, meaning the photon no longer exists as a light particle; this process is referred to as absorption.
Since both RNA and DNA consist of the same types of bases (with the exception of uracil replacing thymine), both types of molecules exhibit nearly identical behavior under UV light. Spectrophotometry therefore cannot directly distinguish between RNA and DNA.
Significance for the assessment of residual DNA
The physical principles described above also explain a key limitation of UV spectrophotometry: since absorption at around 260 nm is based on the shared nucleobase structures of RNA and DNA, the method only measures the total amount of nucleic acids in a sample. It is not possible to distinguish between therapeutic mRNA and any residual DNA fragments on this basis.
For the quantitative determination of specific residual DNA sequences, analytical methods are therefore required that either selectively detect double-stranded DNA or amplify defined target sequences. In practice, fluorometric DNA assays (e.g., Qubit technologies) and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) are particularly important in this context.
The discussion of suitable methods for detecting residual DNA therefore focuses less on photometric techniques and primarily on molecular biological and fluorescence-based approaches.
2.2. Fluorescence-based Quantification
2.2.1. DNA-/RNA-Specific Dyes
a) Mechanism of action of PicoGreen
b) Why PicoGreen preferentially detects double-stranded DNA
c) Limitations of the PicoGreen method
2.2.2. Qubit SystemsIn contrast to UV spectrophotometry, which measures the attenuation of an incident light beam, fluorescence-based methods rely on the targeted excitation of specific molecules followed by measurement of the light they emit. (Put more simply: while UV spectrophotometry determines how much light „disappears”, fluorescence measures not the shadow, but the glow.)
In this process, a fluorescent dye is added to the sample. The dye itself exhibits little or no fluorescence. Only after binding to a target structure – such as double-stranded DNA or RNA – does its spatial arrangement change, so that, when excited by light of a specific wavelength, it emits a characteristic fluorescent signal. The intensity of this emitted light is proportional to the amount of bound nucleic acid.
The key feature of fluorescence-based methods is their selectivity: by using appropriate dyes, specific types of nucleic acids can be selectively detected, while other sample components remain largely ignored. This allows for substantially more specific quantification than the non-specific UV absorption at 260 nm.
Particularly at low concentrations, such as in the determination of residual DNA in mRNA preparations, fluorescence-based methods offer significantly higher sensitivity.
2.2.1. DNA-/RNA-Specific Dyes
The basis of fluorescence-based quantification is formed by nucleic acid-binding dyes that selectively interact with DNA or RNA.
Double-stranded DNA-specific dyes
A commonly used DNA-specific dye is PicoGreen. It preferentially binds to double-stranded DNA. In free solution, PicoGreen exhibits only very weak intrinsic fluorescence. Only after binding to DNA does its fluorescence intensity increase dramatically. This enables the quantification of even very small amounts of DNA.
RNA-specific dyes
For RNA, RiboGreen is frequently used. This dye also produces a strong fluorescent signal only after binding to RNA.
The differing binding affinities of these dyes allow for a largely selective detection of the respective type of nucleic acid.
The measurement principle always follows the same basic scheme:
- Addition of a specific dye to the sample
- Binding of the dye to the target nucleic acid
- Excitation with light of a defined wavelength (λEX – excitation)
- Measurement of the emitted fluorescence (λEM – emission)
- Comparison with a calibration series of known concentrations
Since only the bound dye produces a strong signal, background fluorescence remains low. This explains the high sensitivity of this method compared with UV spectrophotometry.

Fig. 2.2.1-A: Schematic representation of DNA quantification by fluorometry 1) After addition of the fluorescent dye (e.g., PicoGreen), preferential binding to double-stranded DNA (dsDNA) occurs.
2) The sample is irradiated with short-wavelength, high-energy light of a defined wavelength (λEX ≈ 480 nm, blue), which excites the dye molecules.
3) Upon returning to the ground state, the bound dye emits light of a longer wavelength (λEM ≈ 520 nm, green). Within the linear measurement range, the measured fluorescence intensity is proportional to the DNA concentration present in the sample. Since free dye exhibits only very weak intrinsic fluorescence, a strong signal is generated primarily by DNA-bound molecules.Quantification is performed by comparing the signal intensity with a standard curve of known DNA concentrations.
a) Mechanism of action of PicoGreen
PicoGreen is a fluorescent dye with a high affinity for double-stranded DNA (dsDNA). Its exceptional sensitivity is based on the fact that it exhibits almost no fluorescence in its free state, but fluoresces very strongly after binding to DNA.
The difference between these two states (free vs. bound) is crucial for analytical application.
Free PicoGreen in solution
In aqueous solution, the molecule is highly mobile:
- It can rotate and bend.
- Its aromatic ring systems can move relative to each other.
- It constantly collides with water molecules.
When the molecule is excited by light, it absorbs energy. In its free state, however, this energy is not primarily released as light. Instead, it is dissipated through molecular motion and interactions with water, being converted into heat. As a result, intrinsic fluorescence is very low. Free PicoGreen therefore remains almost „dark”.
Approach to double-stranded DNA
PicoGreen carries positive charges. The DNA backbone is negatively charged due to its phosphate groups. This creates an electrostatic attraction between the dye and DNA. The molecule preferentially associates with double-stranded DNA (dsDNA), particularly in regions where the two DNA strands are closely aligned. This initial approach is a prerequisite for a more stable binding interaction.

Fig. 2.2.1-B: Schematic representation of the structure of PicoGreen and dsDNA (not to scale) On the left, a simplified structure of the fluorescent dye PicoGreen is shown. The hexagonal and pentagonal shapes in the structure represent aromatic ring systems – particularly stable, planar molecular units capable of absorbing UV light. In addition, the dye contains positively charged side groups.
On the right, double-stranded DNA is depicted with its negatively charged sugar-phosphate backbone. The electrostatic attraction between the positively charged side groups of the dye and the negatively charged DNA backbone initially brings the dye into close proximity to the DNA.Binding and fixation
After binding, the molecule’s mobility is strongly restricted:
- It can hardly rotate or bend anymore.
- Parts of the molecule are positioned between or close to the base pairs.
- Direct contact with water is partially reduced.
In this sense, DNA acts like a scaffold that stabilizes the molecule in a fixed position.
Why fluorescence increases strongly
This fixation changes the molecule’s energy dissipation pathways: in the free state, a large portion of the absorbed energy is lost through molecular motion. In the bound state, these motions are strongly restricted.
As a result, the probability that the absorbed energy is released as light – i.e., as fluorescence – increases significantly. The outcome is a much stronger signal.
The difference between free and DNA-bound PicoGreen is so pronounced that even very small amounts of double-stranded DNA can be reliably detected.

Fig. 2.2.1-C: Fluorescence behavior of PicoGreen – free in solution and bound to dsDNA Left: PicoGreen in aqueous solution (without DNA)
In aqueous solution, the dye molecule is in constant motion: it rotates and undergoes intramolecular vibrations. When excited with blue light, it dissipates most of the absorbed energy through these motions into the surrounding water as heat. As a result, the dye exhibits only very weak intrinsic fluorescence.
Right: PicoGreen bound to dsDNA
After binding to double-stranded DNA, PicoGreen inserts into the minor groove and is further stabilized by stacking interactions with the bases. This strongly restricts its molecular mobility. As a consequence, less of the absorbed energy is lost through molecular motion, and a much larger fraction is emitted as green light. The fluorescence intensity therefore increases significantly.Why this property is analytically so valuable
- Free dye produces almost no background signal.
- Only bound dye generates a strong fluorescent signal.
- Double-stranded DNA is preferentially detected.
In the context of measuring residual DNA in mRNA preparations – even at very low concentrations – this strong contrast between „dark” and „bright” is crucial for the sensitivity of the method.
b) Why PicoGreen preferentially detects double-stranded DNA
The selectivity of PicoGreen is not based on the dye „recognizing” DNA in a conscious sense, but rather on structural features of double-stranded DNA.
Double-stranded DNA has:
- a regularly arranged stacked base structure
- tightly packed, planar base pairs
- clearly defined major and minor grooves
- a stable, spatially ordered conformation
This ordered architecture provides suitable binding sites for the dye. It can intercalate between or bind close to the stacked bases and is thereby mechanically constrained. This restriction is exactly what drives the strong increase in fluorescence.
Single-stranded DNA or RNA have a much more flexible structure. They lack the regularly stacked base organization of the double helix. Although interactions can still occur, they are:
- weaker in binding strength
- less stable in structural fixation
- associated with a much smaller fluorescence enhancement
Therefore, PicoGreen reacts particularly sensitively to double-stranded DNA – and much more weakly to RNA or single-stranded nucleic acids.
For the analysis of residual DNA, this property is crucial: residual plasmid DNA or DNA fragments are typically double-stranded and therefore generate a strong signal.
Although DNA-specific fluorescent dyes such as PicoGreen show a strong preference for double-stranded DNA, their selectivity is not absolute. Especially in samples with very high RNA concentrations, nonspecific signal contributions may occur. These can arise from weak binding to RNA, secondary RNA structures, or simple mass effects. Without appropriate control measures – such as RNase treatment – this may lead to an overestimation of the DNA content.
c) Limitations of the PicoGreen method
Despite its high sensitivity, the method remains a quantitative bulk measurement of dsDNA. It does not provide information about:
- the sequence of the DNA
- its exact origin
- its biological functionality
- the fragment composition
Influence of fragment length
The signal intensity depends, among other factors, on how many binding sites are available. Very short DNA fragments can bind fewer dye molecules than long, intact molecules.
This means that two samples with an identical mass of DNA can produce slightly different fluorescence signals depending on the degree of fragmentation.
In practice, this effect is accounted for using calibration standards, but it cannot be completely eliminated.
Matrix effects
Components of the sample can influence the measurement result, such as:
- high salt concentrations
- residual proteins
- surfactants or lipid components
- buffer composition
Such factors can affect binding efficiency or fluorescence intensity. For this reason, measurement conditions are standardized and validated.
✧ ✧ ✧
Interim conclusion
Fluorescence-based methods such as PicoGreen enable highly sensitive quantification of double-stranded DNA and are fundamentally well suited for detecting small amounts of DNA even in complex samples.
However, the method is not based on sequence-specific recognition but on structural properties of nucleic acids. The measured signal can therefore be influenced by factors such as residual RNA, fragment length, secondary structures, or components of the sample matrix. Without appropriate control measures – in particular RNase treatment and standardized sample preparation – there is a risk of over- or underestimating the actual DNA content.
PicoGreen therefore primarily answers the question of how much fluorescence-active double-stranded DNA is present in a sample. It does not provide information about the sequence, origin, integrity, or biological functionality of the DNA.
For such questions, complementary sequence- or amplification-based methods are required, which are discussed in the following chapter.
2.2.2. Qubit systems
While DNA- and RNA-specific dyes such as PicoGreen or RiboGreen represent the actual fluorescent tools used for nucleic acid quantification, the Qubit system refers to the integrated analytical platform designed for precise concentration measurement based on these dyes.
The Qubit system is a compact fluorometer developed by Thermo Fisher Scientific for the highly sensitive and specific quantification of DNA, RNA, and proteins. It combines:
- specific fluorescent dyes = molecular sensors
- optimized reagent solutions = defined environment (buffer system)
- standardized assay protocols = standardized operating procedures
The aim of this system is the selective and sensitive quantification of DNA or RNA in biological samples.
Principle of the Qubit system
The underlying measurement principle corresponds to the method described previously (Chapter 2.2.1): a selective fluorescent dye binds to the target nucleic acid, is excited with light of a defined wavelength, and emits a measurable fluorescence signal. The intensity of this signal is proportional to the amount of bound DNA or RNA. By comparison with standard solutions of known concentration, the concentration of the sample can then be determined.
The Measurement Procedure
The procedure is intentionally simple and follows a standardized protocol:
1️⃣ Preparation of the working solution: The fluorescent dye (from the assay kit) is mixed with the supplied buffer in the recommended ratio.
Examples of available assay kits:
Assay kit Intended application dsDNA BR (Broad Range) Higher DNA concentrations dsDNA HS (High Sensitivity) Low DNA concentrations RNA BR (Broad Range) Higher RNA concentrations RNA HS (High Sensitivity) Lower RNA concentrations microRNA Assay Small RNA molecules such as miRNA and siRNA Protein Assay Quantification of proteins 2️⃣ Addition of the sample: A small volume of the sample (typically 1–20 µl) is added to the working solution.
3️⃣ Allow binding to occur: After a short incubation period of only about 2 minutes (for DNA/RNA assays), the dye binds specifically to its target molecule.
4️⃣ Calibration using standards: One or two supplied standards with known concentrations are measured. The instrument automatically generates a standard curve from these measurements.
5️⃣ Insert the sample into the instrument:
Excitation: The instrument irradiates the sample with the appropriate excitation wavelength, e.g., blue light at approximately 470 nm for DNA quantification.
Emission: The bound dye molecules absorb this light and re-emit it at a longer wavelength (lower energy), for example green light at approximately 520 nm.
Filtering: An optical filter inside the instrument blocks the blue excitation light so that the detector registers only the green fluorescence emitted by the sample. This explains the high accuracy of the system: the instrument „sees” only the target signal, while interfering excitation light is excluded.6️⃣ Measurement and result: The instrument measures the emitted longer-wavelength light (e.g., green fluorescence). Within seconds, an algorithm calculates the exact concentration based on the standard curve. The result is displayed on the screen.

Fig. 2.2.2: Schematic workflow of dsDNA quantification using the Qubit system The illustration shows the workflow of dsDNA quantification with the Qubit system. After addition of the specific fluorescent dye to the sample (1–2), the dye selectively binds to double-stranded DNA (3). The sample is then inserted into the Qubit fluorometer (5), which measures the fluorescence intensity and calculates the DNA concentration (6).
Advantages of the Qubit system
- High specificity and selectivity: The fluorescent dyes used exhibit a strong preference for their respective target molecules. This allows, for example, relatively selective quantification of double-stranded DNA (dsDNA) even in the presence of larger amounts of RNA. However, nonspecific signal contributions cannot be completely excluded, particularly at very high RNA concentrations or in complex sample matrices.
- High sensitivity: Compared with UV photometry, the method is significantly more sensitive and allows the quantification of very low nucleic acid concentrations.
- Low sample consumption: Only small sample volumes are required for measurement (typically 1–20 µl), which is especially advantageous when sample material is limited or valuable.
- Relative robustness against contaminants: Many substances that can interfere with UV spectroscopic methods – such as free nucleotides, salts, or proteins – have a much smaller effect on fluorometric measurements. Nevertheless, certain matrix components may still influence fluorescence.
- Simple handling and rapid results: The system is based on standardized procedures and enables reproducible measurements with comparatively low effort.
Limitations of the Qubit system
- No information on DNA integrity: The method does not distinguish between intact and fragmented DNA.
- No sequence information: The measurement provides no information about the sequence, origin, or biological function of the nucleic acids.
- Influence of fragment length: Different fragment lengths can affect signal intensity. Very short or highly degraded fragments may produce a reduced fluorescence signal.
- Residual nonspecificity at high RNA concentrations: Very high RNA concentrations can lead to nonspecific signal contributions despite the high specificity of the dyes.
- Limited linear measurement range: Quantification is restricted to the linear range of the respective assay. Highly concentrated samples therefore need to be diluted accordingly.
- Limited information on sample purity: Only limited conclusions can be drawn regarding sample purity, composition, or possible contamination.
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Summary
Qubit fluorometry is considered a sensitive and comparatively selective method for the quantification of DNA and RNA. In contrast to UV spectroscopy, it is not based on nonspecific light absorption but on fluorescent dyes with a strong preference for specific nucleic acid structures. This enables the measurement of low concentrations even in complex samples.
However, the method remains a structure-dependent bulk measurement: it provides information about the amount of specific nucleic acid types, but not about their sequence, origin, or biological properties. For such questions, sequence- or amplification-based methods are required, which are discussed in the following chapters.
2.3. Amplification-based Methods
The previously described methods (UV spectroscopy and fluorometry) allow the determination of the total amount of nucleic acids – i.e. RNA and/or DNA. However, for the targeted detection of specific DNA or RNA sequences, methods based on amplification of the target sequence are required. This principle is referred to as amplification.
In the manufacturing process, amplification-based methods are used in particular to detect residual DNA impurities.
The basis of these methods is the polymerase chain reaction (PCR). In this process, a predefined DNA segment is exponentially amplified through repeated cycles of enzymatic synthesis, meaning that the amount of the target sequence ideally doubles in each cycle. Even a few initial copies can thus be converted into a measurable quantity. Both quantitative PCR (qPCR) and digital PCR (ddPCR) are based on this principle.
2.3.1. quantitative PCR (qPCR)
2.3.2. digital PCR (ddPCR)
2.3.3. Comparison of PCR-based quantification methods⚬ ⚬ ⚬
2.3.1. Quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR)
Quantitative PCR, also known as real-time PCR, is an advanced version of conventional PCR. It enables the simultaneous amplification and quantification of a specific DNA segment in real time.
The basic reaction steps correspond to those of conventional PCR, as described in the first part (amplification of spike DNA by PCR). The key difference is that during each amplification cycle, the amount of newly formed DNA is measured via a fluorescent signal.
In qPCR, a fluorophore is used as a „light signal”. In principle, two strategies can be distinguished:
a) Dye-based qPCR
b) Probe-based qPCR◦ ◦ ◦
a) Dye-based qPCR (e.g., SYBR® Green)
For the analysis, a reaction mixture is added to the sample consisting of:
- free nucleotides
- a specific primer pair
- a thermostable DNA polymerase
- a buffer containing Mg²⁺ ions (for polymerase activity)
- a fluorescent dye (e.g., SYBR® Green)
SYBR® Green is a fluorophore that selectively binds to double-stranded DNA. Only after binding to dsDNA does the dye exhibit strong fluorescence.
This mixture is placed into a qPCR instrument – a so-called real-time PCR thermocycler.
Principle of the method
1️⃣ Denaturation: The reaction mixture is heated to approximately 94–98 °C. At this temperature, hydrogen bonds between base pairs are broken, and the double-stranded DNA is separated into two single strands.
2️⃣ Primer annealing: The temperature is lowered to approximately 50–65 °C. Specific primers bind to their complementary target sequences on the single strands. They define the starting point of DNA synthesis.

Fig. 2.3.1-A1: SYBR Green in the first qPCR cycle – denaturation and primer annealing Left: The dye SYBR® Green is added to the reaction mixture before the start of PCR. It binds selectively to double-stranded DNA and exhibits strong fluorescence in its bound state.
Right: During denaturation, double-stranded DNA is separated into single strands. The bound dye is released in the process and largely loses its fluorescence. Subsequently, specific primers bind to their complementary target sequences. (Note: For clarity, the primers are shown shortened with only three nucleotides; in practice, they are significantly longer.)3️⃣ DNA synthesis (amplification): At approximately 72 °C, the DNA polymerase synthesizes the complementary strand. This results in the formation of new double-stranded DNA. SYBR® Green binds to this newly formed dsDNA.
4️⃣ Excitation and emission: The reaction mixture is irradiated with blue light (approx. 490 nm). The bound dye molecules absorb this energy and emit green light (approx. 520 nm). The DNA-bound dye generates a measurable fluorescence signal.

Fig. 2.3.1-A2: SYBR Green in the first qPCR cycle – from double strand to fluorescence signal Left: DNA polymerase synthesizes new complementary strands. This results in the formation of new double-stranded DNA, to which SYBR® Green immediately binds.
Right: At the end of the cycle, the reaction mixture is excited with light of an appropriate wavelength. The dye molecules bound to double-stranded DNA emit green fluorescence light, the intensity of which is proportional to the amount of DNA formed.5️⃣ Quantification: Fluorescence is measured at the end of each cycle. As the amount of DNA increases, the signal rises accordingly, producing a characteristic amplification curve.
The key measurement parameter is the so-called Ct value (cycle threshold). It refers to the cycle at which the fluorescence signal first exceeds a defined threshold.
- Low Ct value → high initial amount of target DNA
- High Ct value → low initial amount of target DNA
For absolute quantification, a standard curve based on known reference concentrations is typically generated.
Significance of amplicon length for detection
An amplicon refers to the DNA fragment that is amplified during PCR between the two primer binding sites – including the primers themselves.
Specific detection of the target sequence requires that a complete amplicon can be formed. This is only possible if both primers – forward and reverse – can bind to the same DNA fragment. If the fragment is shorter than the distance between the two primer binding sites, one of the primers cannot bind. Efficient exponential amplification does not occur, and no meaningful fluorescence signal is generated.
This leads to an important methodological consequence: the longer the chosen amplicon – i.e., the greater the distance between the two primer binding sites – the more short fragments remain undetected. This is not because they are absent, but because they are too short for the assay. Thus, the choice of amplicon length directly influences which fraction of the actual DNA present is detected.

Fig. 2.3.1-A3: Significance of amplicon length for detection Top: Fragment contains both primer binding sites
The DNA fragment is long enough for both primers (forward and reverse primer) to bind to their respective binding sites. DNA polymerase can fully copy the region between the primers. A specific amplicon of defined length is generated. In the next cycle, this product can again be efficiently amplified. As a result, a strong fluorescence signal is produced with SYBR Green (proportional to the amount of specific dsDNA).
Bottom: Fragment contains only one primer binding site
The DNA fragment is shorter than the distance between the two primer binding sites. Only one primer can bind (the other has no complementary sequence). No complete amplicon is formed, and therefore no exponential amplification occurs. As a result, no or only a very weak SYBR Green fluorescence signal is generated.Note: For clarity, the primers are shown shortened with only three nucleotides; in practice, they are significantly longer. The schematic representation of DNA fragments is also simplified.
Advantages of dye-based qPCR
- Low cost and effort: The method is comparatively inexpensive and technically straightforward.
- Simple primer design: Only sequence-specific primers are required.
- High sensitivity: Even very small amounts of target DNA can be reliably detected.
- Fast execution: The method is widely established and enables rapid analysis of large numbers of samples. Quantification is performed directly via fluorescence detection during amplification.
- High flexibility: New target sequences can be analyzed relatively quickly by adjusting the primers.
- Melting curve analysis as quality control: After amplification, the specificity of PCR products can be assessed based on their characteristic melting temperature. This often allows the detection of nonspecific products or primer dimers.
Disadvantages of dye-based qPCR
- Nonspecific dye binding: The fluorescent dye binds to any double-stranded DNA – including nonspecific amplification products such as primer dimers.
- Dependence on primer design: The specificity of the analysis strongly depends on the quality and selectivity of the primers used.
- Influence of the target region: The choice of the target sequence and, in particular, the length of the amplified region (amplicon) significantly affects the result.
- Influence of fragment length: Highly fragmented DNA may be incompletely detected when longer amplicons are used, as both primer binding sites are often no longer present on the same fragment.
- Influence of amplicon length: Shorter amplicons generally detect fragmented DNA more efficiently, but may increase the likelihood of nonspecific signals.
- Dependence on efficiency and calibration: The accuracy of quantification is strongly influenced by PCR efficiency and the quality of the standard curve used.
b) Probe-based qPCR (e.g., TaqMan®)
For the analysis, a reaction mixture is added to the sample consisting of:
- free nucleotides
- a specific primer pair
- a thermostable DNA polymerase with 5’→3′ exonuclease activity (this polymerase can degrade obstacles in its path)
- a buffer containing Mg²⁺ ions (required for polymerase activity)
- a sequence-specific probe (e.g., a TaqMan® probe)
Structure and function of the TaqMan® probe
A TaqMan® probe is a short, synthetically produced DNA sequence that is complementary to a segment of the target sequence. The probe binds to one of the two DNA strands, specifically between the two primer binding sites.
The probe carries:
• a fluorescent dye (reporter) at the 5′ end
• a quencher molecule at the 3′ end
The reporter can carry different fluorophores, which also enables multiplex analyses – the simultaneous detection of multiple target sequences.
As long as reporter and quencher are in close proximity, the fluorescence signal is suppressed. Quenching only works while the probe is intact: due to the spatial proximity of reporter and quencher, fluorescence resonance energy transfer (FRET) occurs. In this process, the energy absorbed by the reporter is transferred to the quencher and dissipated as heat instead of being emitted as light.
The reaction is carried out in a real-time PCR thermocycler, which not only performs the temperature cycles but also measures fluorescence during amplification.
Principle of the method
1️⃣ Denaturation: The reaction mixture is heated to approximately 94–98 °C. Hydrogen bonds break, causing the double-stranded DNA to separate into two single strands.
2️⃣ Hybridization (primer and probe binding): The temperature is lowered to approximately 55–60 °C. In addition to the specific primers, the TaqMan probe binds to its target sequence between the primers. In this state, the fluorescence of the reporter remains suppressed due to the nearby quencher.

Fig. 2.3.1-B1: Probe-based qPCR during the annealing step As soon as the temperature decreases from 95 °C to 60 °C, the probe binds to its target sequence first. The probe has a higher melting temperature (Tm), typically 8–10 °C above that of the primers, so that it is already stably bound at the chosen working temperature while the primers are just beginning to anneal.
The probe is a single-stranded DNA molecule of approximately 20–30 nucleotides in length. It is designed to bind specifically to a defined target sequence – a segment that is characteristic of the DNA of interest.3️⃣ DNA synthesis & hydrolysis (amplification): At approximately 60 °C, DNA polymerase begins synthesizing the new strand. In many modern qPCR protocols, annealing (primer and probe binding) and elongation (DNA synthesis) occur at the same temperature.
When the polymerase encounters the bound probe during strand synthesis, it uses its 5’→3′ exonuclease activity to hydrolyze the probe (breaking it down into individual nucleotides). Even the first cleavage separates the reporter dye from the quencher.
This permanently releases the reporter from the quenched state.4️⃣ Excitation and emission: During the measurement phase, the reaction mixture is excited with light of a specific wavelength. The released reporter molecules absorb this energy and emit light at a longer wavelength (e.g., green for FAM or yellow for VIC).
In this case, the fluorescence signal is not generated by dye binding to double-stranded DNA (as in SYBR Green), but by enzymatic cleavage of the probe during amplification.
The probe does not participate in DNA amplification. Amplification is driven exclusively by the forward and reverse primers, while the probe serves only as a sequence-specific fluorescent reporter.

Fig. 2.3.1-B2: Amplification with probe hydrolysis – signal generation (fluorescence) The polymerase extends from the primer and reaches the probe. While synthesizing the new DNA strand, it removes the probe that lies in its path. This separates the reporter from the quencher, thereby generating the measurable fluorescence signal.
5️⃣ Quantification: Fluorescence is measured after each cycle. For every newly synthesized DNA strand that contains an intact probe-binding site, one probe is hydrolyzed. The signal intensity therefore increases in proportion to the number of correctly amplified target molecules.
The key measurement parameter is the Ct value (cycle threshold):
- Low Ct value → high initial amount of target DNA
- High Ct value → low initial amount of target DNA
Advantages of probe-based qPCR
- High specificity: In addition to the two primers, a sequence-specific fluorescent probe also binds. A signal is only generated when the correct target sequence is actually amplified. Nonspecific amplification products such as primer dimers therefore generally do not produce a meaningful signal.
- Suitable for multiplex analyses: Different reporter dyes allow the simultaneous detection of multiple target sequences in a single reaction.
- Improved analytical robustness: The additional probe layer increases specificity and enhances the reliability of quantification, especially in complex samples with high background signals.
- Lower susceptibility to nonspecific amplification: Compared with dye-based methods, false-positive signals from nonspecific PCR products are significantly reduced.
Disadvantages of probe-based qPCR
- Higher costs: In addition to primers, a specific fluorescently labeled probe must be synthesized for each target sequence.
- More complex assay design: In addition to the primers, the probe must also be optimized in terms of sequence, melting temperature, position, and potential secondary structures.
- Dependence on the target region: Fragmentation, mutations, or damage within the primer or probe binding sites can impair or prevent amplification and signal generation.
- Influence of fragment length: As with other PCR-based methods, detectability depends on whether a DNA fragment contains all required binding sites for primers and probe. Highly fragmented DNA may therefore be incompletely detected, especially when longer target regions are used.
- Indirect quantification: Absolute quantification is usually performed using standard curves and remains dependent on amplification efficiency, assay design, and sample preparation.
✧ ✧ ✧
Detailed information on the principles of both qPCR methods can be found here.
Both dye-based and probe-based qPCR enable sensitive and specific detection of defined DNA sequences. However, quantification is indirect via the Ct value and typically requires a standard curve with known reference concentrations. The accuracy therefore depends on amplification efficiency and the quality of the reference standards.
To reduce this dependence and enable absolute quantification without a standard curve, digital PCR (ddPCR) was developed.
2.3.2. Digital PCR (ddPCR)
ddPCR stands for droplet digital PCR.
Digital PCR is an advancement of PCR technology that enables absolute quantification of DNA or RNA molecules – without the need for a standard curve and with very high precision.
In contrast to qPCR, it does not measure a continuously increasing fluorescence signal but instead counts individual positive reaction units. The result is binary – „positive” or „negative” – which is why it is referred to as digital.
Basic principle of ddPCR
While in qPCR the entire reaction takes place in a single reaction volume, in ddPCR the sample is partitioned into thousands of microscopic, separated reaction compartments – so-called droplets. Each droplet represents an independent PCR reaction.
Method Procedure (using DNA as an example):
1️⃣ Sample preparation: The DNA sample is mixed with primers, a sequence-specific probe (usually TaqMan®-like), nucleotides, DNA polymerase, and buffer – analogous to probe-based qPCR.
2️⃣ Partitioning (droplet generation): The reaction mixture is transferred into a droplet generator. There, it is passed through microfluidic channels together with a special oil..
Due to fluid dynamics, this process generates up to 20,000 nanoliter-sized droplets. The oil stabilizes the droplets and forms a stable emulsion, ensuring that each droplet acts as an isolated reaction compartment. The resulting droplets are collected in a well of a 96-well plate.
The distribution of DNA molecules across the droplets is random, resulting in:
- many empty droplets
- some droplets containing one target molecule
- some droplets containing multiple molecules
This distribution follows Poisson statistics.

Fig. 2.3.2-A: Schematic representation of droplet formation in digital PCR (ddPCR) 3️⃣ Amplification (PCR): The sealed 96-well plate is transferred into a thermocycler.
The droplets undergo the standard PCR cycles (denaturation, annealing, elongation), typically 40–45 cycles.
During amplification, no fluorescence is measured.
If a droplet contains at least one target DNA molecule, it is amplified. The probe is hydrolyzed, and the droplet develops a strong fluorescent signal.
Droplets without target DNA remain dark.

Fig. 2.3.2-B: ddPCR signals after amplification depending on target DNA concentration The figure schematically shows the result of droplet digital PCR (ddPCR) after completion of amplification.
The previously generated and sealed droplets undergo 40–45 PCR cycles in a thermocycler. During amplification, no continuous fluorescence measurement is performed.
If a droplet contains at least one target DNA molecule, the target sequence is amplified. During this process, the sequence-specific probe is hydrolyzed by the 5′→3′ exonuclease activity of the DNA polymerase, separating the reporter from the quencher and generating a strong fluorescence signal. Droplets without target DNA remain signal-free („negative”).
As the initial concentration of target DNA increases, the number of fluorescent (positive) droplets increases, while the intensity of individual positive droplets remains comparable.4️⃣ Readout (droplet reader): After completion of PCR, the 96-well plate is inserted into a droplet reader.
The instrument:
- aspirates the emulsion from a well
- passes the droplets individually through a narrow capillary
- irradiates each droplet with a laser
- measures the fluorescence intensity
Each droplet is individually classified as:
• positive (fluorescence signal present)
• negative (no signal)The result is binary – 0 or 1.

Fig. 2.3.2-C: Schematic representation of the principle of fluorescence readout in ddPCR After completion of PCR, the 96-well plate containing the droplet emulsion is inserted into the droplet reader. The instrument aspirates the emulsion from a well and passes the droplets individually through a narrow capillary. Each droplet is irradiated with a laser, and the measured fluorescence intensity is recorded as an amplitude value. In the analysis software, these values are displayed in a 1D amplitude plot: the X-axis sequentially numbers the droplets, while the Y-axis shows the fluorescence amplitude. Using a software-defined threshold, negative droplets (no signal) are separated from positive droplets (fluorescence signal). The number of positive droplets is then converted into the absolute target DNA concentration of the original sample using Poisson statistics.
5️⃣ Quantification: Since it is known:
- how many droplets were analyzed in total
- how many of them are positive
the absolute number of original DNA molecules can be calculated using the Poisson distribution.
📍 No standard curve is required.
📍 Quantification is independent of amplification efficiency within individual cycles.🎥 Tip: What this looks like in practice is demonstrated in the video „Digital PCR Using the Bio-Rad QX100™ ddPCR™ System“.
Advantages of ddPCR
- Absolute quantification without a standard curve: The number of target molecules is calculated directly from the ratio of positive to negative droplets using Poisson statistics. An external standard curve is generally not required.
- High precision and reproducibility: By partitioning the sample into thousands of independent reaction compartments, quantification becomes less susceptible to fluctuations in amplification efficiency than in conventional qPCR methods.
- High sensitivity at low concentrations: Even very small amounts of target DNA can be reliably detected because individual molecules are amplified in separate droplets.
- Relative robustness against PCR inhibitors: Inhibitors are likewise distributed among the individual droplets. As a result, their inhibitory effect is often reduced compared with a single bulk reaction.
- Endpoint measurement instead of Ct interpretation: The analysis is based on the presence or absence of a signal at the end of PCR and is therefore less dependent on the interpretation of amplification curves.
- Particularly suitable for rare target sequences: The method is frequently used for the detection of rare mutations, low viral loads, or very small amounts of residual DNA.
Disadvantages of ddPCR
- More complex technology and higher costs: In addition to a thermocycler, specialized instruments for droplet generation and droplet readout are required.
- More complex workflow: Partitioning of the sample and the subsequent droplet analysis require additional processing steps and increase technical complexity.
- Limited dynamic range per run: At very high target concentrations, too many droplets may become positive. This reduces the accuracy of the statistical analysis (saturation effect), making dilution series necessary.
- Lower sample throughput: Compared with qPCR, the analysis is generally more time-consuming and less suitable for very high sample throughput.
- Still sequence- and assay-dependent: As with qPCR, only DNA fragments containing all required primer and, where applicable, probe binding sites are detected.
- Influence of fragmentation: Highly fragmented DNA may also be incompletely detected by ddPCR, particularly when the target region is relatively long or primer binding sites are missing.
- Dependence on sample preparation: Extraction losses, incomplete LNP disruption, or selective fragment losses can still influence the result.
2.3.3. Comparison of PCR-based quantification methods
Feature Dye-based qPCR Probe-based qPCR Digital PCR (ddPCR) Measurement principle Fluorescence binding to all dsDNA Sequence-specific fluorescent probe Counting of positive individual reactions Signal generation Dye binds to dsDNA Probe is hydrolyzed during amplification Endpoint measurement of positive droplets Quantification Relative (via Ct value and standard curve) Relative (via Ct value and standard curve) Absolute (via Poisson distribution) Standard curve required Yes Yes No Specificity Medium
(primer-dependent)High
(primer + probe)High
(primer + probe)Measurement timing During amplification (real-time) During amplification (real-time) After endpoint PCR Reaction format Single reaction volume Single reaction volume ~20,000 droplets per well Cost Low Medium High Instrumentation Real-time PCR system Real-time PCR system Droplet generator + thermocycler + droplet reader
2.4. Sequencing-based Methods
2.4.1. Oxford Nanopore Technology
2.4.2. Illumina SequencingWhile the previously described methods (qPCR, ddPCR) can specifically detect and quantify individual DNA sequences, sequencing-based approaches go a step further: they read the exact order of bases in a DNA or RNA molecule – step by step, letter by letter.
One example of these technologies is nanopore sequencing. In a study by Gunter et al. (Nature Communications 2023), long-read nanopore sequencing was used for the comprehensive analysis of mRNA vaccines. Methods such as „VAX-seq” can capture key quality attributes – including sequence identity, integrity, length, and purity – while simultaneously assessing mRNA and residual DNA. This makes nanopore sequencing a promising analytical approach for manufacturing and quality control processes.
In particular, Oxford Nanopore Technology (ONT) has emerged in recent years as a promising tool for quality control of mRNA-based therapeutics. It provides direct sequence information at the single-molecule level and can analyze both short and very long fragments – a key advantage for the characterization of residual DNA.
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2.4.1. Oxford Nanopore-Technologie
When nanopore sequencing is mentioned today, it usually refers to the platform developed by Oxford Nanopore Technologies (ONT). Although alternative concepts for nanopore-based sequencing exist, ONT is currently the only technology that is widely commercially available and practically established. Since its market introduction in 2015, it has become established as a representative of so-called third-generation sequencing technologies.
What makes this method special is the direct analysis of individual DNA or RNA molecules in real time. In contrast to classical sequencing approaches, neither cyclic amplification nor chemical labeling of nucleotides is required. Instead, sequence information is derived directly from physical measurement signals.
Functional principle
ONT sequencing is based on the interaction of several key components:
Nanopores – act as tiny molecular „reading units”. When a single DNA or RNA strand passes through a pore, it generates characteristic electrical signals, comparable to a molecular „fingerprint”.
Membrane – serves as a filter and barrier. It ensures that only ions and nucleic acids can pass through the nanopores, while unwanted molecules are excluded. This creates a defined measurement environment for signal detection.
Chip (flow cell) – forms the basis of the system. The chip contains the membrane with numerous nanopores as well as the integrated electronics for signal detection. It represents the functional unit in which sequencing takes place.
System architecture
The chip is divided into two compartments:
Upper chamber (cis) This is where the DNA sample is introduced. Lower chamber (trans) This chamber receives the strand after it
passes through the nanopore.Both chambers are filled with an ion-containing buffer solution that conducts electrical current. The membrane electrically separates the two chambers – current can only flow at the locations where nanopores are embedded. These pores act as the only „tunnels” through which ions and nucleic acids can pass.
When a constant voltage is applied between the chambers, an ionic current is generated through the nanopores. As a DNA or RNA strand passes through a pore, it causes characteristic changes in this current. These current modulations are continuously recorded and stored as raw electrical signals.

Fig. 2.4.1-A: Structure of the nanopore device On the left, a portable nanopore sequencing device is shown, approximately the size of a slightly wider USB stick. It contains a replaceable sequencing unit (flow cell) used for the actual analysis.
On the right, a magnified view shows the schematic structure of this sequencing cell: it consists of a chip covered by an electrically insulating membrane. Embedded within this membrane are numerous nanopores that act as molecular sensors. The cell is divided into an upper cis and a lower trans chamber. By applying an electrical voltage, DNA (as shown in the image) is pulled through the nanopore. The resulting changes in ionic current are measured and used for sequence determination.The path of DNA through the nanopore
1️⃣ Library preparation
Before sequencing can begin, the nucleic acids in the sample (DNA and/or RNA) must be prepared for nanopore sequencing. This step is referred to as library preparation.
In the context of quality control of therapeutic mRNA – for example directly after in vitro transcription or before formulation – the following steps are relevant:
a) Purification
After transcription, the reaction mixture still contains, in addition to the desired mRNA or DNA, enzymes (e.g., polymerases), free nucleotides, and buffer components.
These components must be removed because they can:
- reduce the efficiency of adapter ligation
- block nanopores
- interfere with the electrical signal
In early process stages, thorough purification is therefore required. Shortly before final formulation, however, the product is typically already purified, so no additional bulk purification step is usually necessary.
b) End repair & dA-tailing (for DNA)
If DNA is sequenced – for example to analyze residual DNA fragments – the fragment ends must be prepared.
First, an end repair step is performed: overhanging („sticky”) ends are enzymatically filled in or trimmed back, resulting in blunt-ended double-stranded DNA.
This is followed by a so-called dA-tailing step. In this process, a polymerase specifically adds a single adenine (A) nucleotide to each 3′ end of the DNA. This generates a defined 3′ A-overhang, which is required for the subsequent adapter ligation step.
c) Adapter ligation – the key step
In order for nucleic acids to be recognized by the nanopore and actively guided through it (translocated), specific adapter molecules must be attached (ligated) to their ends.
These adapters are functional modules and contain several essential components:
Motor protein
The motor protein acts as a molecular „brake”. Without this control, DNA would pass through the pore at extremely high speed – far too fast for accurate signal resolution.
The motor protein:
- regulates the translocation speed (~400–500 bases per second)
- ensures a uniform stepping motion
- unwinds double-stranded DNA during passage
Oxford Nanopore uses different motor proteins (helicases) for:
- double-stranded DNA
- cDNA
- native (direct) RNA sequencing
Tether
The tether can be described as a molecular „parking assistant”. It typically contains a cholesterol-like structure that inserts into the lipid membrane of the flow cell. This brings the nucleic acid into close proximity to the membrane surface – exactly where the nanopores are located.
As a result, the likelihood that a molecule enters the electric field of a pore and is captured is significantly increased.
In some protocols, a so-called tether buffer is additionally used to enrich the membrane surface with these anchoring structures.
Barcode sequences (optional)
Barcode sequences enable multiplexing, i.e., the simultaneous analysis of multiple samples in a single sequencing run.
For routine quality control of individual batches, they are not strictly required and are therefore not further considered here.
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Adapter design in ONT
Oxford Nanopore Technologies provides sequencing adapters that are pre-loaded with the motor protein and tether. During ligation, the entire adapter complex is therefore attached to the nucleic acid molecule.
For DNA:
- The adapter is ligated to the ends of double-stranded DNA.
- The adapters contain an overhanging thymine (T) residue, which is complementary to the previously generated 3′ A-overhang of the DNA.
- This enables efficient and directional ligation.
For RNA (direct RNA sequencing):
- The adapter is ligated to the 3′ end of the RNA, typically via the existing poly(A) tail.

Fig. 2.4.1-B: Schematic representation of adapter ligation The sequencing adapter contains, in addition to a double-stranded DNA region (typically ~30 to 50 base pairs in length), two short single-stranded sequences (often ~20 to 40 nucleotides). For clarity, the figure shows a strongly simplified representation.
One single strand is already bound inside the motor protein, while parts of the second single strand remain exposed.
Directly adjacent to this is the junction to the actual sample. A specific overhang at the end of the adapter (T) has hybridized with the complementary end of the sample DNA (A). This „ligation” stably links the target double-stranded DNA (dsDNA) to the sequencing system.
Attached laterally to the motor protein is the tether. At its free end is a cholesterol molecule. This acts as a chemical „anchor,” embedding the entire complex into the lipid membrane of the pore, thereby increasing the likelihood that the DNA is captured by a nanopore.After ligation, the adapters are stably attached to the nucleic acid, and the library is ready for sequencing.
Special feature: Direct RNA sequencing (e.g., in the context of VAX-seq)
A key advantage of nanopore technology is the ability to sequence native RNA directly, without prior conversion into cDNA.
For quality control of therapeutic mRNA, this is particularly important because:
- chemical modifications (e.g., pseudouridine) can be detected directly
- no reverse transcription artifacts are introduced
- structural features of the RNA are preserved
This enables the technology not only to quantify molecules, but also to provide structural and functional characterization at the single-molecule level.
2️⃣ Application of an electrical voltage
Both chambers of the sequencing cell contain charged particles (ions). Once an electrical voltage is applied between the upper cis chamber and the lower trans chamber, an electric field is generated across the membrane. This field drives ions through the nanopores, producing a measurable ionic current.
As long as no DNA is present in the pore, this ion flow remains constant. In this state, the device records a stable baseline current that serves as a reference signal (see following figure).
3️⃣ The DNA is introduced into the sequencing cell
The prepared DNA sample is pipetted into the upper cis chamber of the sequencing cell. Sequencing adapters carrying a motor protein and a tether are already attached to the DNA ends.
At the end of the tether is a hydrophobic (water-repellent) cholesterol group. It functions as a molecular anchor.
Due to diffusion, the DNA strands constantly move within the cis chamber. As soon as the hydrophobic cholesterol randomly contacts the membrane, it immediately adheres to it. Energetically, it is far more favorable for the cholesterol to remain within the lipid layer than in the aqueous buffer.
This mechanism provides two major advantages:
- Concentration at the membrane surface: The DNA molecules accumulate preferentially near the membrane. This increases the probability that the motor protein encounters a nanopore and docks onto it.
- Lateral mobility: The cholesterol is not rigidly fixed within the membrane but remains laterally mobile. The DNA can therefore „slide” along the membrane surface until it is captured by the electric field of a pore and eventually drawn inside.
4️⃣ Docking to the nanopore
Once a single-stranded region of the DNA enters the nanopore, the electric field pulls the negatively charged DNA strand toward the trans chamber. This positions the motor protein against the pore entrance, where it docks stably onto the nanopore.
The electrical force acting on the DNA strand serves as a mechanical trigger for the motor protein. It then begins its helicase activity:
- it unwinds the double-stranded DNA (dsDNA)
- one strand is guided stepwise through the nanopore at controlled speed
- the second strand remains outside the pore
This marks the beginning of the actual sequencing process.

Fig. 2.4.1-C: Schematic representation of the sequencing cell and ionic current at resting state
(not to scale)The sequencing cell consists of two chambers: the cis chamber (top) and the trans chamber (bottom), separated by a membrane containing embedded nanopores. On the left, a DNA molecule is shown docked to a nanopore via a motor protein. On the right, an empty nanopore is depicted through which a constant ionic current flows. The applied voltage between the negative electrode in the cis chamber and the positive electrode in the trans chamber drives the ion flow through the pore. The ionic current is measured in the well (a small channel in the chip beneath the pore), as illustrated in the current-versus-time diagram. As long as no DNA passes through the pore, the current remains constant.
The motor protein – the pacemaker of sequencing
The prepared DNA carries an adapter containing a motor protein (a helicase). Once this complex reaches he vicinity of a nanopore, the protein docks onto the pore entrance like a precisely fitting cap. The electrical voltage within the system acts like an invisible pulling force that draws the DNA into the pore.
This electrical force supports the activity of the motor protein. The protein acts like a wedge that gently pries apart the DNA double strand. The hydrogen bonds between the base pairs – the „rungs” of the DNA ladder – break under this force because they are considerably weaker than the stabilizing interactions within the protein itself. In this way, the double-stranded DNA (dsDNA) is unzipped like a zipper without damaging the chemical backbone of the strands.
At this stage, precise control begins: Inside the motor protein, four to six DNA-binding loops (so-called hairpins or loops) grip the newly exposed single strand (ssDNA). These gripping elements are arranged in a spiral fashion, comparable to the steps of a spiral staircase or the thread of a screw.
The protein can be imagined as a „breathing screw”: Driven by ATP, it rhythmically changes its shape. It contracts and expands repeatedly. During each cycle, the upper gripping elements release the DNA, move one step forward, and reattach further upstream, while the lower elements maintain their grip and push the strand downward into the pore in a controlled manner.
This staircase-like arrangement ensures that the DNA does not shoot uncontrollably through the nanopore, but instead advances step by step – effectively base by base. It is this precise mechanical pacing by the motor protein that allows the nanopore to accurately register the electrical signal generated by each nucleotide.
5️⃣ The DNA passes through the nanopore – signal generation
DNA carries a negative electrical charge due to its phosphate groups. Because of the applied voltage between the negatively charged cis chamber and the positively charged trans chamber, the single strand is pulled through the nanopore.
At this stage, the motor protein performs a crucial role:
- it moves the DNA through the pore stepwise
- thereby greatly reducing the translocation speed
- the movement becomes slow, uniform, and controlled
Without this control, the DNA would pass through the nanopore at speeds of millions of bases per second. The motor protein slows this movement down to approximately 300–450 bases per second. Only this controlled pacing enables reliable signal measurement.
As the DNA strand travels through the pore, it influences the ionic current. Each nucleotide has a slightly different size and chemical structure. These differences alter the current flow in characteristic ways.
The current changes are measured by electrodes connected to the individual wells within the chip. Each well contains a nanopore and has its own measurement unit. This allows the software to assign the recorded signals unambiguously to a specific pore.
6️⃣ The electrical signal is recorded
During sequencing, typically about five to six bases are located simultaneously within the narrowest region of the nanopore. This short DNA segment is referred to as a k-mer. Within the pore channel, the k-mer acts like an electrical resistor: different base combinations influence the ionic current in characteristic ways and therefore generate distinct electrical signals.
The DNA sequence can be reconstructed because the DNA moves stepwise through the pore, with each k-mer producing a characteristic electrical signature. Specialized software analyzes this sequence of current signals using machine learning algorithms that assign the complex signal patterns to the corresponding nucleotide combinations. This process is called basecalling.
In this way, the complete nucleotide sequence is reconstructed step by step from the electrical measurement data.

Fig. 2.4.1-D: The principle of nanopore sequencing 1) Cross-sectional view of the sequencing cell
A single-stranded DNA molecule is pulled from the cis side toward the trans side due to the applied voltage. The motor protein is positioned above the nanopore. It acts as a molecular brake and controls the forward movement of the DNA. As a result, the single strand is translocated through the pore at a speed of approximately 400 bases per second, allowing each signal to be measured precisely.
At the narrowest constriction of the pore (marked here as the sensing region), several bases are present simultaneously – typically around five nucleotides, referred to as a k-mer. This short DNA segment partially obstructs the pore channel. The ions (small red dots) still attempt to flow through the pore. Because the k-mer reduces the available space, fewer ions can pass through. This generates a characteristic current signal.2) The data in the current-versus-time plot
The Y-axis shows the ionic current in picoamperes (pA), while the X-axis represents time in milliseconds (ms).
A k-mer typically remains within the narrowest region of the pore for approximately 2–3 milliseconds. During this period, multiple current measurements are recorded for that exact base combination.
This produces a slightly fluctuating plateau in the diagram, caused by electrical noise. The brown connecting lines between the plateaus indicate the moment when the motor protein advances the DNA by one base, thereby moving a new k-mer into the sensing region.3) Basecalling – conversion of current signals into bases
The characteristic current signals – the plateaus in the current-versus-time plot – each correspond to the electrical signature of a specific k-mer, i.e., a short base combination residing in the sensing region of the pore for a few milliseconds.
Basecalling algorithms, often based on neural networks, analyze this sequence of current signals. From the characteristic signal patterns, they reconstruct the underlying DNA base sequence.🎥 Tip: The video „How nanopore sequencing works“ provides a clear overview of the process.
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Result of nanopore sequencing
Nanopore sequencing does not produce a single measurement value, but rather a comprehensive dataset consisting of many individual sequence reads. Each read corresponds to the analysis of a single DNA or RNA molecule. Together, these individual measurements provide a detailed representation of the nucleic acids present in the sample.
In principle, all DNA or RNA molecules contained in the sample can be detected without the need to predefine a specific target sequence. The method is therefore not target-directed, but exploratory in nature.
◈ ◈ ◈
Two key levels of information: identity and quantity
The generated sequencing data contain two complementary levels of information:
Identity (sequence information)
For each individual molecule, the nucleotide sequence can be determined. This provides information about:
- the exact base sequence
- the length of the molecules
- structural characteristics (e.g., full-length molecules or fragments)
- possible sequence variants
- and, with methodological limitations, chemical modifications
On this basis, it can be determined which nucleic acids are present in a sample.
Quantity (relative abundance)
In addition, the number of reads can be used to estimate how frequently certain sequences or molecule types are represented in the sample. However, this does not constitute absolute quantification, but rather a relative approximation influenced by several factors, including:
- efficiency of library preparation
- molecule length
- sequence characteristics
The quantitative interpretability of the method must therefore always be considered in the context of these influencing factors.
✧ ✧ ✧
Parallel single-molecule analysis in real time
Data generation is performed by a large number of nanopores operating in parallel within the so-called flow cell. Devices such as the MinION contain several hundred active measurement channels that function simultaneously and independently.
Each nanopore analyzes one individual molecule at a time. Once a sequencing event is completed, the pore immediately becomes available for the next molecule. In this way, a continuous stream of individual reads is generated.
The measurement is performed in real time, with the software simultaneously recording and processing the signals from many individual pores.
✧ ✧ ✧
Nature of the data: distribution instead of a single value
A key characteristic of nanopore sequencing is that the results are not provided as a single uniform measurement value, but as a distribution of many individual sequencing reads. These reads can differ significantly in:
- length
- sequence
- quality
In complex samples in particular, the dataset typically contains:
- short fragments
- longer contiguous molecules
- different molecular populations
Therefore, analysis does not focus on individual reads in isolation, but on interpreting the overall distribution of all reads.
✧ ✧ ✧
A key feature of the method: long reads
A defining characteristic of nanopore technology is its ability to sequence very long nucleic acid molecules continuously. In contrast to short-read approaches (such as Illumina sequencing), where DNA is first fragmented into short pieces and later computationally reconstructed, nanopore sequencing can directly capture contiguous molecules.
In principle, the length of a read is not limited by the technology, but is mainly determined by the integrity of the source molecule.
This enables, in particular:
- direct analysis of whole molecules
- distinction between intact sequences and fragments
- investigation of structural relationships within individual molecules
✧ ✧ ✧
Limitations and methodological influences
Despite its advantages, nanopore sequencing is subject to several methodological limitations:
Error rate of individual reads
The accuracy of single sequencing reads is lower compared to classical short-read technologies. This is due to the indirect determination of sequence information via electrical current signals. Certain sequence motifs, in particular homopolymeric regions (e.g., long stretches of the same base), can be more difficult to resolve.
Selection and process bias
Not all molecules are captured with equal probability. Differences in length, structure, or adapter ligation efficiency can lead to certain sequences being preferentially or underrepresented in sequencing.
In particular, library preparation can influence the composition of the sequenced molecules. Purification steps using magnetic beads or other size-dependent processes may partially remove or underrepresent very short fragments. At the same time, longer molecules are often sequenced more efficiently in nanopore systems, as they remain in the pore longer and generate more stable signals.
As a result, the observed read distribution does not necessarily reflect the original fragment distribution of the sample.
Dependence on sample quality
The quality and integrity of the starting nucleic acids significantly influence the resulting reads. In particular, long molecules are prone to fragmentation during sample preparation.✧ ✧ ✧
Consensus building and bioinformatic analysis
To increase the accuracy of the results, the data are not interpreted on the basis of individual reads. Instead, many sequencing reads of the same molecule type are compared and merged into a consensus sequence.
Since sequencing errors are mostly randomly distributed, they can be largely reduced through this repeated analysis. Modern basecalling and analysis methods, which are often based on machine learning, further contribute to improving sequence accuracy.
In this way, a large number of individual measurements can be combined to produce a consistent and reliable overall representation.
✧ ✧ ✧
Context for nucleic acid analysis
Nanopore sequencing therefore enables a detailed characterization of nucleic acids with regard to their sequence, length, and relative abundance. At the same time, the interpretation of the data requires consideration of methodological influences, particularly with respect to quantification and the representativeness of the molecules that are detected.
2.4.2. Illumina sequencing
Nanopore sequencing enables the analysis of long, contiguous molecules in real time – its particular strength lies in capturing full-length sequences without necessarily fragmenting them into short standard fragments beforehand. A different approach is taken by Illumina sequencing: instead of working with individual long molecules, it analyzes a very large number of short fragments in parallel with high precision. Both technologies complement each other – they answer different questions using different methods.
Illumina sequencing is a short-read approach and belongs to the group of so-called next-generation sequencing (NGS) technologies.
It is currently the most widely used sequencing method worldwide. The underlying principle differs fundamentally from nanopore technology: while ONT passes individual molecules through a pore and measures electrical signals in real time, Illumina relies on an optical method – sequencing by synthesis using fluorescently labeled nucleotides. In this process, DNA is not read directly but decoded step by step during a controlled synthesis reaction.
Operating principle
1️⃣ Preparation of DNA fragments = library construction
For sequencing, DNA must first be converted into a format suitable for the Illumina platform. This process is also called library preparation and consists of the following steps:
a) Fragmentation
DNA is mechanically or enzymatically broken into smaller pieces (typically with a target size of about 150–500 base pairs). This generates fragments of slightly different lengths, which are often further standardized using size-selection methods.
This step is particularly important when long DNA molecules are to be sequenced, since Illumina technology processes short fragments more efficiently than very long contiguous molecules.
In some applications, fragmentation can be deliberately reduced or omitted – especially when already highly fragmented DNA is analyzed. However, even in such approaches, very long fragments (typically above ~800–1000 bp) are often less efficiently processed during library preparation and sequencing, and may therefore be underrepresented.
To illustrate this, we consider three DNA fragments of slightly different lengths in our example.
b) Adapter ligation
Specific adapter sequences (P5 and P7 adapters) are attached to both ends of the DNA fragments. These adapters serve several functions:
Flow cell binding sites: The adapters contain specific DNA sequences that act like a key fitting into a lock, allowing fragments to attach to a surface required for sequencing.
Primer binding sites: The adapters include regions where sequencing primers can bind. These primers are later used to synthesize DNA strands step by step.
Indexes (optional): If multiple samples are sequenced simultaneously, index sequences allow the assignment of fragments to their respective samples. For clarity, indices are not shown in this example.
c) PCR amplification
To ensure that sufficient DNA is available for sequencing, the adapter-ligated DNA fragments are amplified using the polymerase chain reaction (PCR).

Fig. 2.4.2-A: Library preparation – overview of the DNA preparation workflow. The following close-up shows a detailed representation of a fragmented double-stranded DNA molecule with both adapters attached.

Fig. 2.4.2-B: Schematic representation of a double-stranded DNA fragment with adapters Each DNA fragment receives two adapter sequences: the P5 adapter contains the P5 adapter sequence, which enables binding to the flow cell, and the Rd1SP (Read 1 Sequencing Primer) binding site to initiate DNA synthesis. Similarly, the P7 adapter contains the P7 adapter sequence for flow cell binding as well as the Rd2SP (Read 2 Sequencing Primer) binding site for the initiation of DNA synthesis.
This representation is highly simplified. In practice, Illumina adapter sequences are significantly longer (typically 60–120 base pairs). The DNA fragment itself is also shortened for clarity; in reality, DNA fragments typically range from 100–500 base pairs in length.2️⃣ Cluster generation on a flow cell
The core of Illumina technology is the so-called flow cell – a glass-like surface coated with millions of short, immobilized DNA binding sites.

Fig. 2.4.2-C: Schematic representation of a flow cell and its surface a) DNA fragments bind to the flow cell surface
At the beginning of this step, a solution of single-stranded DNA fragments is passed over the flow cell. The fragments carry the previously ligated adapter sequences at their ends and have been denatured into single strands, allowing them to exist freely in solution.
As the fragments flow across the flow cell, their adapters bind via complementary base pairing to matching DNA oligonucleotides on the surface.
To illustrate this, the flow cell surface can be imagined as a dense Velcro-like system: the adapter sequences of the DNA fragments adhere to complementary binding sites on the flow cell – similar to small hooks anchoring into a Velcro mesh.
b) First synthesis
After the DNA fragments have bound to the flow cell, the first DNA synthesis begins. A primer binds to the adapter sequence of the immobilized single strand. The DNA polymerase then synthesizes a complementary strand.
In the next step, the original template strand is removed, while the newly synthesized strand remains attached to the flow cell.

Fig. 2.4.2-D: Schematic of the first synthesis: formation of surface-bound DNA strand copies Left: Primers bind to the adapters (P5, P7), and DNA polymerase (DNAP) initiates synthesis of a new complementary strand.
Middle: DNA polymerase synthesizes the first new strand.
Right: The resulting DNA double strand is denatured. After separation, the original template strand is no longer attached to the flow cell and is washed away. The newly synthesized strand remains firmly bound to the flow cell via its 5′ end.At this stage, direct sequencing would not yet be feasible, as the fluorescence signals from individual molecules would be too weak to be reliably detected. Therefore, a process called bridge amplification follows.
c) Bridge amplification
To ensure that subsequent sequencing generates a sufficiently strong fluorescence signal, the DNA molecules bound to the flow cell must first be amplified.
The process begins when a surface-bound single-stranded DNA molecule, due to its flexibility, bends back toward the surface and hybridizes via its free adapter end to a neighboring complementary binding site on the flow cell. This forms a characteristic bridge structure.

Fig. 2.4.2-E: Bridge formation and DNA synthesis The surface-anchored single strands fold and bind to adjacent anchors on the flow cell, forming a bridge structure. This is followed by the initiation of the copying process.
Subsequently, DNA polymerase synthesizes a complementary strand along the bound template strand. After synthesis, the bridge structure is denatured again, resulting in two single strands that are both firmly anchored to the flow cell.

Fig. 2.4.2-F: Forward and reverse – bridge dissociation After the replication process, the bridge double-stranded DNA structures are denatured. As a result, the number of surface-bound DNA strands is doubled. These strands are now ready for further amplification.
This process is repeated multiple times. With each cycle, the number of surface-bound DNA molecules doubles.

Fig. 2.4.2-G: With each round of bridge amplification, more DNA copies are generated. In this way, locally confined clusters consisting of millions of nearly identical copies of a single original DNA fragment are formed.

Fig. 2.4.2-H: Cluster formation: Each cluster consists of numerous copies of a single DNA fragment. In this illustration, only three clusters are shown as examples. In reality, however, millions of such clusters are present on a flow cell, enabling a high sequencing throughput.
The result is a densely packed surface of millions of spatially separated DNA clusters, each consisting of many nearly identical copies of a single original DNA fragment. This enables millions of different sequences to be analyzed in parallel.
Without this amplification, reading DNA would be like trying to detect a single firefly in the wind. The clusters, however, make the DNA bases (A, T, C, G) clearly detectable – like a glowing neon sign in the dark.
Removal of one strand type
To ensure that sequencing proceeds in a synchronous and unambiguous manner, the DNA strands within each cluster must be oriented uniformly. Therefore, one of the two strand types is selectively removed prior to the actual sequencing step.
The unnecessary complementary strands are chemically cleaved and washed away. At the same time, certain free ends on the flow cell are blocked to prevent unwanted re-binding or further amplification.
After this process, the clusters consist of many single strands with identical orientation. The DNA library is now prepared for the actual sequencing step.
3️⃣ Sequencing by synthesis
To initiate sequencing, primers, DNA polymerases, and modified nucleotides are added to the flow cell. Each of the four nucleotides (A, T, G, and C) carries a distinct fluorescent label as well as a reversible chemical blocking group.
The primers hybridize to the DNA strands of the library. DNA polymerase then binds to the primer and begins synthesizing the complementary strand.
Because of the reversible blocking group, only a single nucleotide can be incorporated during each cycle. After incorporation, DNA synthesis temporarily stops.
The flow cell is then imaged using high-resolution cameras. The fluorescence color emitted by each cluster indicates which nucleotide was incorporated during that cycle. Analysis software interprets these signals and converts them into the corresponding base sequence.
Subsequently, excess nucleotides are washed away. In an additional chemical step, both the fluorescent label and the blocking group of the incorporated nucleotide are removed, allowing the next synthesis cycle to begin.
This process repeats cycle by cycle. In this way, the sequence of each DNA fragment is read out step by step.

Fig. 2.4.2-I: Illumina sequencing workflow 4️⃣ Datenauswertung
After completion of sequencing, millions of individual fluorescence signals are available. These raw data are first translated into nucleotide sequences by the instrument software. The result consists of short sequence fragments, referred to as reads.

Fig. 2.4.2-J: Analysis of sequencing data 🎥 Tip: A more detailed yet illustrative explanation of the Illumina sequencing technology can be found in the video „Illumina Sequencing Technology“.
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Quality control and trimming
In the first step, the quality of the reads is assessed. Bases with low signal quality – typically located at the ends of reads – are removed (trimming). This reduces incorrect sequence assignments and improves the reliability of downstream analysis.Mapping: alignment to a reference sequence
Next, the reads are compared to known reference sequences, such as the vaccine manufacturer’s plasmid or bacterial reference genomes. Specialized algorithms (e.g., BWA-MEM or Bowtie2) search for matches and assign each read to its most likely position within the reference sequence.
This allows determination of which sequences are present in the sample and their potential origin.Determination of fragment lengths
In commonly used paired-end sequencing, each DNA fragment is read from both ends. The distance between the two reads allows estimation of the original fragment length.
This information is particularly important for analyzing fragmented DNA samples.Identification of DNA origin
By comparing the sequencing data with reference databases, it can be determined whether the detected fragments originate from, for example:
▪️the expected production plasmid
▪️bacterial sequences
▪️or other genetic sources
This allows Illumina sequencing to provide not only quantitative information but also a detailed characterization of the DNA present in a sample.Data normalization
The number of generated reads depends, among other factors, on sequencing depth. To enable comparison between different samples or batches, the data are often normalized, for example as reads per million (RPM). This makes it possible to better assess relative differences between samples.◈ ◈ ◈
Methodological limitations
Limited suitability for absolute quantification
Illumina sequencing is highly effective for identifying DNA fragments and analyzing their relative abundance. However, direct absolute quantification of the original DNA amount is only possible to a limited extent.
This is because library preparation itself can alter the composition of the sample. Steps such as PCR amplification, adapter ligation, or size selection may preferentially enrich or deplete certain fragments. As a result, the number of reads generated is not necessarily proportional to the original abundance of DNA fragments in the sample.
Bias in fragment length distribution
In short-read sequencing, DNA fragments within a certain size range are preferentially analyzed. Very short fragments may be lost during purification, while very long fragments may be disadvantaged during amplification and cluster formation.
Therefore, the observed fragment length distribution does not necessarily reflect the original distribution in the sample, but rather the distribution of successfully sequenced fragments.
2.5. Electrophoretic Fragment Analysis
Electrophoretic fragment analysis is an established standard method in molecular biology for separating and characterizing nucleic acids (DNA and RNA). Depending on the application, it can provide information on several key parameters:
- Size (fragment length): reported in base pairs (bp) for DNA or nucleotides (nt) for RNA
- Quantity: semi-quantitative estimation of the amount of nucleic acid present
- Integrity: degree of fragmentation or molecular integrity
The method is based on the physical principle of electrophoresis (movement under the influence of an electric field). Charged molecules such as DNA or RNA are driven through a supporting medium (typically a gel or a polymer-based matrix) by an electric field. Due to their negatively charged phosphate backbone, nucleic acids migrate toward the positively charged electrode.
Separation is achieved through the pore structure of the medium: smaller fragments move more rapidly through the network, while larger molecules are more strongly retarded. This results in a size-dependent separation of nucleic acids.
In the context of residual DNA analysis in mRNA-based pharmaceuticals, this method is particularly useful for estimating fragment length distributions and therefore complements both quantitative and sequencing-based detection approaches.
2.5.1. Agarose gel electrophoresis
2.5.2. Automated systems⚬ ⚬ ⚬
2.5.1. Agarose gel electrophoresis
Agarose gel electrophoresis is the classic and most widely used form of electrophoretic fragment analysis of DNA. It is used to separate nucleic acids according to their size and make them visible.
System setup
The central component is a gel made of agarose, a polysaccharide-based network derived from algae. This gel forms a three-dimensional matrix with pores of defined size. The pore size can be controlled by the agarose concentration: low concentrations produce larger pores (suitable for long DNA fragments), while higher concentrations produce smaller pores (for short fragments).
The gel is embedded in a buffer solution and placed in an electrophoresis chamber. At both ends of the chamber are electrodes (cathode/anode), between which a constant electrical voltage is applied.
Before electrophoresis begins, the samples are pipetted into small wells at the edge of the gel.
In complex samples, such as those obtained after in vitro transcription and enzymatic treatment (e.g., DNase I), RNA and remaining DNA fragments can migrate through the gel simultaneously. For targeted analysis of residual DNA, the sample is therefore often additionally treated with RNase, so that predominantly DNA fragments are visible. This allows a clearer assessment of the fragment length distribution.

Fig. 2.5.1-A: Schematic setup of an agarose gel electrophoresis chamber Principle of operation
DNA molecules carry a negative charge due to their phosphate groups. When an electric voltage is applied, they begin to migrate through the gel toward the positively charged electrode.
During migration, two opposing forces act on the molecules:
- the electric force, which pulls the DNA through the gel
- the mechanical resistance of the gel matrix
Since smaller DNA fragments are less hindered by the pore structure, they move through the gel faster than larger fragments. This results in a size-dependent separation of the molecules along the direction of migration.
For size determination, a so-called DNA ladder (marker) with known fragment lengths is run in parallel. By comparing the migration distances, the sizes of the unknown fragments can be estimated.
Visualization and analysis
After electrophoresis, the DNA fragments are initially invisible. Visualization of the DNA is achieved using fluorescent dyes, which are either added to the gel before electrophoresis or applied to the gel afterward. Both methods are well established and differ mainly in their influence on migration behavior and the experimental effort required.
The gel is removed from the electrophoresis chamber and placed on a transilluminator. Under UV or blue light, the fluorescent dyes bound to the DNA appear as bands in the gel.
By comparing the bands with the simultaneously run marker, the sizes of the DNA fragments can be estimated. In addition, the intensity of the bands allows a rough semiquantitative assessment of the amount of DNA present.

Fig. 2.5.1-B: Detection of DNA fragments after electrophoretic separation 🎥 Tip: The video „Electrophoresis explained“ briefly summarizes the principle of agarose gel electrophoresis.
2.5.2. Automated Systems
Automated electrophoretic systems represent a further development of classical agarose gel electrophoresis. They are based on the same physical principle of size-dependent separation of nucleic acids in an electric field, but combine it with microfluidic technology, integrated detection, and digital analysis.
In contrast to manual gel preparation, separation is carried out in miniaturized, prefabricated systems. The samples are loaded into specialized cartridges or chips containing fine channels filled with polymer matrices. Within these microstructures, the nucleic acids are separated electrophoretically under an applied voltage.
During the run, the fragments are continuously detected using fluorescent dyes. The signals are directly converted into digital data and displayed as so-called electropherograms. Instead of bands in a gel, peaks are generated, where the position indicates the fragment size and the height or area reflects the relative amount of nucleic acid.
Commonly used systems include:
- the Bioanalyzer
- the TapeStation
- and the Fragment Analyzer
These systems differ in details such as throughput, sensitivity, and degree of automation, but they follow a comparable basic principle.

Fig. 2.5.2: Schematic representation of an automated electrophoretic system (e.g., TapeStation) with ScreenTape unit and a typical electropherogram Workflow of an automated electrophoretic system (e.g., TapeStation)
1) Sample preparation
The samples to be analyzed are pipetted into tubes or a microtiter plate (e.g., 96-well format) and mixed with a kit-specific buffer. In parallel, a reference standard (ladder/marker) with defined fragment sizes is prepared.
2) Addition of fluorescent dye
A fluorescent dye is added to the samples, which binds selectively to DNA or RNA and enables subsequent detection.
3) Provision of the separation medium
The separation medium is a so-called ScreenTape – a prefabricated microfluidic system containing an integrated gel matrix and multiple parallel separation channels. Depending on the application, specific ScreenTapes are used for DNA or RNA.
4) Automated electrophoresis run
Samples, marker, and ScreenTape are loaded into the instrument. After startup, the system performs the analysis automatically: the samples are sequentially transferred into the separation channels and electrophoretically separated under an applied voltage.
5) Detection and data analysis
During separation, fluorescent signals from the nucleic acids are optically detected (e.g., using a laser). The software processes these signals into digital outputs, including:
▫️electropherograms (peak-based representations of fragment sizes)
▫️size distributions
▫️and semi-quantitative concentration measurements🎥 Tip: A visual demonstration of the operating principle of the TapeStation system and ScreenTape technology is provided in the following video „Agilent 2200 TapeStation System“.
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Advantages of automated systems
Automated systems offer several key advantages over classical agarose gel electrophoresis:
- Higher sensitivity: even small amounts of nucleic acids can be detected
- Improved reproducibility: standardized cartridges and automated workflows reduce experimental variability
- Quantifiability: in addition to fragment size, relative concentration can be estimated more accurately
- Digital analysis: objective and reproducible evaluation without visual interpretation of gel images
In addition, these systems often provide further metrics, such as average fragment lengths or integrity indices, enabling a standardized assessment of sample quality.
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DNA- and RNA-specific assays
A key aspect of automated systems is the use of specific assays for different types of nucleic acids. In complex samples, separate analyses are therefore often performed, in which identical samples are analyzed using either DNA- or RNA-specific reagents.
These assays differ, among other things, in:
- the composition of the polymer matrix
- the fluorescent dyes used
- the data analysis algorithms
In this way, DNA and RNA fragments can be characterized independently, even if they were originally present in the same sample.
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Interpretative value of electrophoretic fragment analysis
Electrophoretic fragment analysis primarily provides structural information about nucleic acids. In the context of quality control of mRNA-based products, it is particularly useful for:
- analyzing the fragment length distribution of DNA and RNA
- assessing RNA integrity
- distinguishing between highly fragmented and largely intact nucleic acids
- identifying dominant fragment sizes
- and detecting residual DNA fragments
◈ ◈ ◈
Limitations of electrophoretic fragment analysis
Both classical agarose gels and automated electrophoretic systems have methodological limitations, particularly when detecting low levels of residual DNA in complex samples.
- No sequence information: The method separates nucleic acids solely based on size or electrophoretic mobility. It cannot determine whether a fragment originates from genomic DNA, plasmid DNA, mRNA, or nonspecific degradation products.
- Limited sensitivity compared to amplification-based methods: Very small amounts of residual DNA may fall below the detection limit. Techniques such as qPCR or ddPCR are significantly more sensitive for quantifying trace DNA levels.
- Limited resolution for highly fragmented DNA: Highly degraded DNA often appears as a diffuse signal region („smear”), making individual fragments difficult to characterize.
- No information on biological functionality: The method only shows fragment size and quantity distribution. Whether DNA fragments are still biologically active, complete, or potentially transcription-competent remains unknown.
- Dependence on dye binding and fragment size: Very short fragments may bind less dye and can therefore be underestimated or even go undetected. Quantitative accuracy is especially limited at the lower end of fragment sizes.
- Overlapping signals in complex samples: In samples containing both RNA and DNA, signal regions may overlap. Despite specific assays, misassignments or background signals cannot be fully excluded.
- No absolute quantification of specific target sequences: The method does not allow targeted measurement of defined DNA sequences. Specific identification of residual process DNA is therefore only possible in combination with sequence-specific techniques.
Overall, electrophoretic fragment analysis primarily provides structural information on nucleic acids and complements quantitative and sequencing-based methods by offering insights into fragment size, integrity, and distribution, but it cannot replace sequence-specific or functional assays.
2.6. Comparison of Key Detection Methods for Nucleic Acids
The quantitative and qualitative determination of nucleic acids forms the foundation of numerous molecular biological analyses. However, depending on the method, both the informational content and the limitations of the measurement differ significantly. None of the established techniques provides a complete picture – instead, they complement each other.
UV spectroscopic measurements determine the total amount of nucleic acids in a sample by measuring the absorption of UV light at 260 nm. This method is fast and straightforward, but it does not distinguish between different DNA or RNA sequences. Contaminants such as proteins or other molecules can also influence the signal.
Fluorometric methods use specific dyes that preferentially bind to DNA or RNA. As a result, they are significantly more selective and sensitive than UV-based measurements. Nevertheless, they do not provide information about the exact sequence or origin of the nucleic acids – they only quantify the amount of specific classes of molecules present.
Electrophoretic fragment analysis adds a structural perspective to these methods. It allows the estimation of fragment sizes, fragment length distributions, and the integrity of DNA or RNA. This makes it possible, for example, to distinguish between intact and highly fragmented nucleic acids. However, the method does not provide sequence information and does not allow the unambiguous identification of specific DNA or RNA molecules.
PCR-based methods (qPCR and ddPCR) enable highly sensitive and specific detection of defined DNA sequences. By using sequence-specific primers, individual regions of the genome can be selectively amplified and quantified. However, this high specificity is also a limitation: only those sequences for which appropriate primers have been designed can be detected. Unknown or unexpected sequences remain undetected.
Another methodological limitation arises from the requirements regarding DNA integrity. For amplification to occur, both primer binding sites must be fully contained within a DNA fragment. qPCR amplicons are typically 80–150 base pairs in length. Highly fragmented DNA, in which fragments are shorter or in which one of the primer binding sites is missing, cannot be amplified. In other words, only DNA fragments that span the complete target region between both primers are detectable by qPCR.
This dependence on fragment length is particularly relevant when DNA has been broken down by enzymatic or mechanical processes, such as DNase I treatment during the removal of residual DNA in mRNA production. For successful qPCR/ddPCR, however, both primers – forward and reverse – must be able to bind to the same fragment. The shorter the fragments, the lower the probability that a fragment contains both primer binding sites – an important consideration when assessing residual DNA.
Illumina sequencing is based on the parallel sequencing of many short DNA fragments. It provides highly accurate sequence data with a very low error rate compared to other sequencing methods, making it particularly suitable for the precise analysis of known or referenceable sequences. However, the method requires more complex sample preparation, PCR-based library amplification, and advanced bioinformatic analysis. In addition, it typically sequences only relatively short fragments, which makes it more difficult to capture larger structural relationships.
Nanopore sequencing goes one step further: it enables the direct determination of the base sequence of individual DNA or RNA molecules in real time. As a result, unknown sequences can also be identified, and very long fragments can be analyzed. In addition, the technology allows, under certain conditions, the direct detection of chemical nucleic acid modifications. However, the resulting data require careful bioinformatic analysis and, compared to Illumina sequencing, currently still show higher error rates.
⚬ ⚬ ⚬
The following overview summarizes the most important detection methods, their measurement principles, as well as their specific strengths and limitations in the context of mRNA production.
Method
What is measured?
Strengths
Weaknesses / limitations
Typical application
UV spectroscopy
Total concentration of all nucleic acids
Fast and simple, no reagents required, low cost
No distinction between DNA, RNA, and free nucleotides; sensitive to contamination
Rapid rough estimation of concentration and purity
Fluorometry
DNA or RNA via dye binding
High sensitivity, tolerant to contaminants
No sequence information
Precise quantification of target RNA
Qubit fluorometer
DNA or RNA via dye binding (fluorometric device)
Very high sensitivity and selectivity, reproducible results
No sequence information, higher cost than basic fluorometry
Standardized concentration measurement in lab and GMP settings
qPCR
Specific DNA sequences (e.g., template DNA, host cell DNA)
High sensitivity, sequence-specific
Only known target sequences detectable; depends on primer design and amplification efficiency; quantification requires standard curve; susceptible to inhibitors
Detection of residual DNA
ddPCR
Absolute copy number of specific DNA sequences
Absolute quantification without standard curve, very high precision, more robust against inhibitors
Only known target sequences detectable; depends on primer/probe design and target integrity; higher cost; more complex sample preparation
Precise quantification of defined DNA target sequences in validation assays
Agarose gel electrophoresis
DNA/RNA fragments by size
Simple, cost-effective, visual estimation of fragment size and integrity
Low resolution, semi-quantitative, not suitable for precise concentration measurement, no sequence information
Rapid quality control, integrity assessment
Automated electrophoresis
Size, concentration, and integrity of DNA/RNA
High resolution, quantitative, reproducible, low sample input
Higher cost, requires consumables
RNA integrity assessment (RIN score), fragment analysis of residual DNA
Illumina sequencing (NGS)
Sequence information of many short DNA/RNA fragments
Very high accuracy, broad coverage, well established
Short reads (150–300 bp), complex sample preparation, requires bioinformatic analysis
High-resolution sequence analysis and characterization of residual nucleic acids
Nanopore sequencing
Full DNA/RNA sequence of individual molecules
Direct sequence information, long reads, real-time data, detects unknown sequences and structural variants
Higher error rate, complex analysis, still less established in GMP environments
Characterization of complex nucleic acid populations, identity testing, integrity analysis
Overall, it becomes clear that each method has its own specific strengths and weaknesses. The choice of the appropriate procedure therefore always depends on the respective research question.
This is particularly true for the quality control of therapeutic mRNA. Active ingredient concentration, purity, and potential contaminants each place distinct demands on the analytical method.
No single method can answer all analytical questions – only the combination of quantification, structural characterization, and sequence information enables a comprehensive assessment of nucleic acids.
◈ ◈ ◈
Combined application of methods
In practical analytical work, the methods described are rarely used in isolation. Instead, the characterization of nucleic acids is typically performed using a combination of complementary techniques. For example, UV spectroscopic measurements can be used for a rapid estimation of concentration and purity, while fluorometric methods enable more selective quantification. PCR-based methods such as qPCR or ddPCR are applied to specifically detect and quantify defined DNA sequences. Sequencing approaches such as Illumina or Nanopore technologies complement these analyses by directly determining the sequence and enabling the identification of unknown sequences or structural variants.
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Regulatory classification
In a regulatory context, quality control of therapeutic nucleic acid products requires the use of validated and standardized analytical methods. PCR-based techniques such as qPCR and ddPCR are well established for this purpose and are routinely used for the quantification of defined residual DNA sequences. Sequencing-based approaches, including Nanopore technology, are gaining increasing importance; however, in many application areas they are still in the phase of methodological establishment and validation.

3. Guidelines for Limiting Residual DNA in Vaccines
Residual DNA (residual DNA), including host cell DNA or plasmid DNA, refers to nucleic acid remnants from the manufacturing process that may remain in the final product after purification. As outlined in previous chapters, complete removal of this DNA cannot be achieved technically; therefore, low residual amounts are considered an unavoidable component of biotechnological products.
The development of regulatory guidelines for limiting residual DNA has progressed in parallel with advances in biotechnological manufacturing processes. The aim of these requirements is to minimize potential biological risks. These include in particular:
- Oncogenicity
- Insertional mutagenesis
- Immunogenicity
- and, in certain contexts, infectivity (e.g., in viral systems)
Historical development
Early phase: precaution-oriented approach
With the introduction of recombinant DNA technologies (methods in which DNA from different organisms is deliberately combined) in the 1980s – such as for the production of therapeutic insulin or growth hormones – the need to systematically evaluate residual DNA emerged for the first time.
At that time, there were considerable scientific uncertainties regarding the biological effects of exogenous DNA. In particular, it was unclear under which conditions foreign DNA could integrate into the genome of human cells and potentially induce oncogenic effects.
Against this background, regulatory authorities adopted a conservative, precaution-oriented approach. In the 1980s, the World Health Organization (WHO) recommended a limit value of 10 pg residual DNA per dose for products derived from continuous cell lines (cells that are capable of unlimited division in the laboratory). This value was not based on a quantitative risk assessment but represented a pragmatic guideline aligned with the analytical capabilities available at the time.
Later evaluations led to an upward revision of this value; by the mid-1980s, levels on the order of approximately 100 pg per dose were already considered negligible.
Paradigm shift: from mass to biological activity
In the 1990s and 2000s, the regulatory perspective changed fundamentally. Two developments were primarily responsible for this:
First, manufacturing and purification processes improved significantly. Methods such as chromatography, filtration, and enzymatic treatment enabled a reproducible reduction of residual DNA by several orders of magnitude.
Second, experimental studies increasingly provided quantitative insights into the biological activity of DNA. It became evident that not only the total amount is relevant, but that structural properties such as length and integrity of DNA play a central role.
Longer, intact DNA fragments containing functional gene segments can, under suitable conditions, theoretically exert biological effects. However, this potential decreases significantly with increasing fragmentation. Short DNA fragments have a strongly reduced probability of entering the cell nucleus, persisting stably, or being integrated into the genome.
For actual integration of exogenous DNA into a cellular genome, several conditions must be met simultaneously. These include, among others, uptake of the DNA into the cell, its transport into the nucleus, and the presence of suitable cellular mechanisms for stable integration. The likelihood of all these conditions occurring simultaneously under natural physiological conditions in the body is considered low and decreases further with increasing DNA fragmentation.
Modern regulatory approaches
Based on these findings, modern regulatory concepts have evolved toward a risk-based and product-specific approach. Instead of a single universal limit value, several complementary requirements are now central:
Requirement Rationale Validated elimination The manufacturing process must demonstrably and reproducibly contribute to the reduction of residual DNA. Fragmentation Remaining DNA should be present in a highly fragmented form whenever possible. Product-specific limits Acceptance criteria are defined depending on the manufacturing process, cell line, and intended use. Regulatory guidelines issued by organizations such as the U.S. Food and Drug Administration (FDA), the European Medicines Agency (EMA), and the International Council for Harmonisation (ICH) today largely follow this differentiated approach.
✧ ✧ ✧
Classification in the context of modRNA-based vaccines
For modRNA-based vaccines, fundamentally similar regulatory principles apply as for other biotechnologically manufactured medicinal products. At the same time, manufacturing processes and product characteristics differ in certain aspects, particularly due to in vitro transcription and the use of synthetic RNA.
In the context of vaccines, regulatory guidelines regarding residual DNA content for parenteral administration (i.e., administration by injection or infusion that bypasses the gastrointestinal tract) are often oriented toward the nanogram range per dose.
In addition, it is required that any remaining DNA be highly fragmented and not contain functionally complete genes. In the scientific literature, fragment lengths below a few hundred base pairs (bp) are frequently discussed in this context, although no uniform threshold has been established. These requirements reflect the current regulatory approach, which takes into account both the quantity and the structural properties of DNA.
The following table summarizes the key regulatory documents in which limits for residual DNA are specified.
Document Statement / Context 1998 – WHO TRS 878, Annex 1 Historical source: first mention of <10 ng/dose for continuous cell lines. 2007 – WHO Study Group on Cell Substrates for the Production of Biologicals Discussion of <10 ng/dose in the context of highly fragmented DNA (e.g., <200 bp). 2013 – WHO TRS No. 978 Confirms <10 ng/dose as an established standard; emphasizes the importance of fragmentation and manufacturing process; key WHO document on cell substrates. 2014 – WHO TRS 987, Annex 4 <10 ng/dose (in the context of recombinant protein therapeutics) 2020 – FDA CMC Guidance
(Gene Therapy)<10 ng/dose and <200 bp (for gene therapy products derived from continuous non-tumorigenic cell lines) 2020 – Rapporteur Rolling Review critical assessment report (Josephson 2020-11-19) Acceptance criteria: ≤ 330 ng DNA/mg RNA (derived from 10 ng/dose at 30 µg RNA per dose). 2024 – WHO TRS 1062,
Annex 1 (not yet public)Recommendations for mRNA vaccines – expected to include similar order-of-magnitude ranges. Dose: Total amount of the medicinal product administered per application.
ng/dose (nanograms per dose): A measure of the permissible amount of residual DNA per dose.
bp (base pairs): A measure of the length of DNA fragments.⚬ ⚬ ⚬
Conversion of measurement values to ng per dose
In order to compare measurement results from different studies with regulatory guideline values, a standardized reference unit is required. While regulatory limits are usually expressed as an amount per dose (ng/dose), analytical measurements are often reported relative to the RNA quantity (e.g., ng DNA per mg RNA).
For comparability, these values must be converted accordingly.
Basic principle:
DNA (ng/dose) = DNA (ng/mg RNA) × RNA amount per dose (mg)Example calculation
Assume that an analytical measurement yields: 330 ng DNA per mg RNA
and the administered dose contains: 30 µg RNA = 0,03 mg RNA
The calculation is therefore: 330 ng/mg × 0,03 mg = 9,9 ng DNA per doseThis example demonstrates that concentration-based values (ng/mg RNA) and dose-related limits (ng/dose) can be directly converted into one another, provided that the underlying RNA amount per dose is known.
The result is therefore in the range of 10 ng DNA per dose, corresponding to the commonly cited regulatory guideline value.
⚬ ⚬ ⚬
Classification
An important aspect of regulatory classification is that no single universally binding limit applies to all modRNA vaccines. Instead, the evaluation is based on a combination of general recommendations, product-specific specifications, and risk-based principles.

4. Experimental Studies on residual DNA in mRNA-based Vaccines
Following the presentation of manufacturing processes, potential impurities, and analytical detection methods, the central question arises as to the extent to which residual DNA can actually be detected in commercial mRNA vaccines.
Since 2023, several independent investigations have been published addressing the detection, quantification, and characterization of DNA in different vaccine batches.
The aim of this chapter is to present the studies published to date, classify their methodological approaches in a comprehensible manner, and summarize the reported findings.
4.1. Why independent measurements?
4.2. Methodological preliminary remarks
4.3. Overview and individual analysis of the studies
4.4. Interim conclusion: What do we know – and what do we not know?⚬ ⚬ ⚬
4.1. Why independent measurements?
The approval of a medicinal product requires the manufacturer to demonstrate compliance with regulatory quality standards to the competent authorities. For mRNA-based vaccines, this includes, among other things, ensuring that residual amounts of DNA remain below established limit values. The corresponding analytical data are submitted as part of the regulatory approval process and are evaluated by the authorities.
What this process does not structurally provide for is systematic verification by independent laboratories after market authorization. Authorities such as the EMA or FDA base their assessments primarily on the data submitted by the manufacturer. Independent reanalysis of commercially available batches is not part of the standard procedure.
This is precisely where independent research becomes relevant. Since 2023, several research groups –without affiliation to the manufacturers – have investigated commercially obtained batches of mRNA vaccines for residual DNA. The primary motivation was not necessarily the expectation of a problem, but rather a fundamental question of scientific reproducibility: Can the quality data submitted during the regulatory approval process be reproduced through independent measurements?
The results of these studies have not been uniform – neither with respect to the measured quantities nor the methodological approaches employed. Some groups reported DNA levels exceeding regulatory guideline values, whereas others arrived at different conclusions or raised methodological concerns regarding the analytical procedures used.
This chapter presents the most important of these investigations. Its purpose is not to provide a final assessment – the scientific discussion is still ongoing – but rather to offer an objective overview of the available findings, the methods applied, and the remaining open questions.
4.2. Methodological preliminary remarks
Before presenting the individual studies, a methodological framework is helpful – not to anticipate results, but to provide the reader with a tool for interpreting the findings.
The studies presented in this chapter originate from independent laboratories and differ in some cases significantly with regard to their methodological approaches and the detection methods employed.
The dispersion of lipid nanoparticles
Every analysis begins with the same fundamental challenge: the nucleic acids to be measured – mRNA and potential residual DNA – are encapsulated within lipid nanoparticles (LNPs). To make them analytically accessible, the particles must first be disrupted.
In the studies considered, a variety of methods were used for this purpose. Detergents such as Triton X-100 chemically dissolve the lipid membrane. Combinations of lithium dodecyl sulfate (LiDS) and magnetic SPRI beads enable both particle disruption and selective purification of nucleic acids. Thermal approaches – such as heating to 95 °C – destabilize particle structure through heat exposure. Commercial kits such as the Monarch Plasmid DNA Miniprep Kit combine multiple steps into a standardized protocol.
This methodological diversity is not trivial. Three aspects deserve particular attention:
First, the methods differ in their disruption efficiency: not every approach fully opens all particles. If intact LNPs remain in the sample, their contents remain inaccessible to downstream measurement, which can lead to an underestimation of the actual DNA content.
Second, some methods may alter or degrade the released molecules. Thermal disruption at high temperatures can fragment RNA in particular; DNA is more thermally stable but may also be affected under certain conditions. As described in Chapter 2.6, highly fragmented DNA is less accessible to PCR-based detection methods – short fragments may no longer contain both primer binding sites and therefore escape detection.
Third, residues of certain reagents can interfere with subsequent analytical steps. Detergents such as Triton X-100 are known PCR inhibitors. If they are not fully removed, amplification efficiency may be reduced, again leading to an underestimation of the measured quantity. SPRI beads, on the other hand, select based on fragment size: very short DNA fragments may be lost during this step.
Choice of analytical method
Following sample disruption, the actual measurement is performed. Here too, the studies differ considerably. Some research groups used quantitative PCR methods (qPCR), which enable highly sensitive but sequence-specific detection. Others employed sequencing approaches – either nanopore technology (ONT) or the Illumina platform – which provide a broader, sequence-independent overview but require more complex data analysis. In some cases, fluorometric methods were also used for total quantification.
Each of these methods measures slightly different aspects: fluorometry detects total DNA irrespective of sequence but can be affected by interference from RNA (cross-talk). PCR-based methods detect only predefined target sequences. Sequencing approaches provide a broader picture but are more strongly influenced by library preparation, fragment selection, and bioinformatic processing. As a result, direct comparability of absolute quantitative values across studies using different methodologies is only limited.
Validation and standardization
In regulated pharmaceutical analysis, analytical methods must be validated before use: extraction efficiency, limit of detection, linearity, and potential sources of interference must be systematically determined. The independent studies presented here generally lack this formal validation – which does not mean that the work was carried out carelessly, but rather that methodological uncertainties are more difficult to quantify.
A direct comparison of the same sample using multiple methods in parallel – a so-called orthogonal approach – would help to distinguish method-related variability from true differences between batches. Only a subset of the available studies systematically applies multiple orthogonal methods to the same samples. The importance of this approach will be addressed again in the concluding chapter.
4.3. Overview and individual analyses of the studies
The following studies differ in terms of methodology, form of publication, and scientific classification. In addition to peer-reviewed articles, preprints and exploratory analyses are also included in order to fully capture the current spectrum of available data.
The presentation is organized chronologically to allow the development of the scientific discussion to be followed in a coherent manner.
Sequencing of bivalent Moderna and Pfizer mRNA vaccines reveals nanogram to microgram quantities of expression vector dsDNA per dose
Authors: Kevin McKernan, Yvonne Helbert, Liam T. Kane, Stephen McLaughlin
Published: 2023 April 10
DNA fragments detected in monovalent and bivalent Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada: Exploratory dose response relationship with serious adverse events.
Authors: David Speicher, J. Rose, L. M. Gutschi, D. M. Wiseman, Kevin McKernan
Published: 2023 October 19
Methodological Considerations Regarding the Quantification of DNA Impurities in the COVID-19 mRNA Vaccine Comirnaty®
Authors: Brigitte König, Jürgen O. Kirchner
Published: 2024 May 8
Confirmation of the presence of vaccine DNA in the Pfizer anti-COVID-19 vaccine
Authors: Didier Raoult
Published: 2024 November 12
BioNTech RNA-Based COVID-19 Injections Contain Large Amounts Of Residual DNA Including An SV40 Promoter/Enhancer Sequence
Authors: Ulrike Kämmerer, Verena Schulz, Klaus Steger
Published: 2024 December 3
A rapid detection method of replication-competent plasmid DNA from COVID-19 mRNA vaccines for quality control.
Authors: Tayler J. Wang, Alex Kim, Kevin Kim
Published: 2024 December 29
Quantitative Analysis of Nucleic Acid Content in Spikevax (Moderna) and BNT162b2 (Pfizer) COVID-19 Vaccine Lots
Authors: Richard M Fleming PhD, MD, JD; Peter Kotlár MD; Sona Pekova MD, PhD
Published: 2025 May 13
Quantification of residual plasmid DNA and SV40 promoter-enhancer sequences in Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada
Authors: David Speicher, Jessica Rose, Kevin McKernan
Published: 2025 September 25
Systematic analysis of COVID-19 mRNA vaccines using four orthogonal approaches demonstrates no excessive DNA impurities
Authors: Adam Achs, Tatiana Sedlackova, Lukas Predajna, Jaroslav Budis, Maria Bartosova, Vladimir Zelnik, Diana Rusnakova, Martina Melichercikova, Marta Miklosova, Veronika Gencurova, Barbora Cernakova, Tomas Szemes, Boris Klempa, Juraj Kopacek, Silvia Pastorekova
Published: 2025 Dezember 13
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4.3.1. McKernan et al. (2023)
Sequencing of bivalent Moderna and Pfizer mRNA vaccines reveals nanogram to microgram quantities of expression vector dsDNA per dose
Authors: Kevin McKernan, Yvonne Helbert, Liam T. Kane, Stephen McLaughlin
Published: April 10, 2023 (Preprint, OSF)
Link to study: https://osf.io/preprints/osf/b9t7ma) Context and objective of the study
The study by McKernan et al. is among the first publicly available independent analyses in which mRNA-based COVID-19 vaccines were specifically tested for the presence of DNA. The study was not initiated by regulatory concerns, but rather as an exploratory sequencing project during which DNA was detected in the samples. This prompted the authors to systematically investigate the composition of the vaccines further.
The aim of the study was to:
- detect DNA components in the vaccines,
- estimate their quantity, and
- characterize their sequence identity.
b) Materials and methods
Vaccine lots
The following batches were used for the analyses:- 2 batches of bivalent Pfizer vaccines (expired)
- 2 batches of bivalent Moderna vaccines (expired)
- 8 batches of monovalent Pfizer vaccines (expired, unopened)
The study combines several analytical methods to enable both quantitative and qualitative assessments.
Disruption of LNPs and nucleic acid extraction
The lipid nanoparticles were lysed using lithium dodecyl sulfate (LiDS). Subsequent purification was performed using the SPRI principle (magnetic beads), which selectively binds nucleic acids in a size- and condition-dependent manner while separating them from lipids and other accompanying substances. The resulting eluate contained isolated nucleic acids – mRNA and potentially present DNA.
As a quality control step for the extraction process, a Bioanalyzer was used. This system applies automated capillary electrophoresis to visualize the size distribution and relative quantity of the recovered nucleic acids.Sequencing using Illumina
The extracted nucleic acids were analyzed using Illumina sequencing. Multiple sequencing runs (reads) formed the basis for the bioinformatic reconstruction of the plasmid sequences of both vaccines. From the obtained reads, plasmid maps were generated for Moderna and for Pfizer.PCR-based verification
Based on the sequencing data, specific primers were designed for two target regions: a spike probe and an origin-of-replication (Ori) probe, both targeting sequences present in both the Pfizer and Moderna plasmids. This qPCR analysis was not intended for primary quantification but rather for independent confirmation that the plasmid sequences identified by sequencing were indeed present in the samples – and not attributable to laboratory contamination.Fluorometry and electrophoresis
Qubit fluorometry and Agilent electrophoresis were used to estimate DNA concentration. Both methods provide information on the total amount of DNA present, but do not yield any sequence information.c) Key findings
Qualitative findings
The sequencing analyses revealed sequence matches with known plasmid vector sequences and identified genetic elements associated with the manufacturing process. The detected DNA was characterized as double-stranded DNA (dsDNA).Unexpected finding: SV40 promoter/enhancer
During the sequencing analysis, the authors identified an SV40 promoter/enhancer sequence in the Pfizer vaccine. This finding was considered unexpected because the sequence was not shown in the publicly available plasmid maps submitted to the European Medicines Agency (EMA), specifically in the Rapporteur Rolling Review Critical Assessment Report (Figure S.2.3-1, pST4-1525 Plasmid Map). The authors further noted that the Pfizer plasmid also contains an SV40 nuclear localization signal (NLS), which, in theory, could facilitate the transport of DNA into the cell nucleus.Quantitative findings
Qubit fluorometry and electrophoresis measurements indicated DNA concentrations that, according to the authors‘ assessment, substantially exceeded commonly cited regulatory guideline values, including the EMA-derived specification of 330 ng DNA per mg RNA.d) Interpretation by the authors
The authors conclude that residual DNA is present in the analyzed vaccine batches and that its origin is most likely attributable to the plasmid vectors used during the manufacturing process. In their view, the measured quantities may be of regulatory relevance.
With regard to replicable DNA, the authors suggest that stricter limits would be appropriate for such sequences than for non-replicable DNA fragments.
e) Methodological limitations
The origin, storage conditions, and batch characterization of the analyzed vials are documented only to a limited extent. Information on negative controls – such as water samples subjected to the same processing workflow – as well as positive controls containing known DNA concentrations is largely absent or incompletely described. Furthermore, no formal method validation was reported.
Furthermore, the authors themselves point out two opposing sources of uncertainty in quantification: PCR-based methods may underestimate the actual amount of DNA, as fragments shorter than the amplicon length are not detected. Conversely, fluorometry and electrophoresis may overestimate the DNA concentration if the dye used also binds non-specifically to RNA.
f) Contextualization
The study represents an early and significant contribution to the scientific debate on residual DNA in mRNA vaccines. It has played a key role in encouraging other research groups to conduct their own investigations. The findings should be regarded as a starting point for further research, not as a definitive assessment.
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4.3.2. Speicher et al. (2023)
DNA fragments detected in monovalent and bivalent Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada: Exploratory dose response relationship with serious adverse events.
Authors: David Speicher, Jessica Rose, L. Maria Gutschi, David M. Wiseman, Kevin McKernan
Published: October 19, 2023 (ResearchGate)
Link to study: https://osf.io/preprints/osf/mjc97_v1a) Context and Objective of the Study
The study by David J. Speicher builds conceptually on the previously published analyses by Kevin McKernan and pursues a broader approach.
In addition to detecting and quantifying residual DNA in further vaccine batches, it addresses two additional research questions:
- Localization of the DNA: Is the detected DNA located within the lipid nanoparticles (LNPs), or is it present freely in solution?
- Exploratory correlation: Is there a statistical correlation between measured DNA levels and reported adverse events at batch level?
The study is therefore divided into two conceptually distinct parts:
- analytical section: Detection and characterisation of DNA in vaccine samples
- exploratory section: Investigation of a possible statistical relationship with adverse reaction data
Both parts require a different methodological assessment.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
A total of 27 vials from 12 batches were examined: 8 expired, unopened Pfizer-BNT162b2 vials and 16 expired, unopened Moderna Spikevax vials, obtained from various pharmacies in Ontario, Canada. All vials were original sealed with intact protective caps and labeled batch numbers and expiration dates. In addition, three still-valid residual volumes from a Moderna XBB.1.5 batch were included. Storage and transport were carried out under documented refrigerated conditions. A sterile, unopened vial of an unrelated medication (TriMix) served as a negative control.The authors combine several analytical and statistical methods.
Disruption of lipid nanoparticles (LNPs)
To disrupt the lipid nanoparticles (LNPs), the samples were heated for 8 minutes at 95 °C, followed by cooling to 4 °C for five minutes. This thermal step is intended to release the nucleic acids contained within the nanoparticles.Quantification by qPCR
DNA concentrations were determined using qPCR based on the Cq value (quantification cycle) and converted into nanograms per dose. The authors adopted the primers from the McKernan study: a Spike probe and an Ori probe targeting sequences common to both vaccines (Pfizer and Moderna). In addition, an SV40 enhancer assay was used, specifically designed to detect the SV40 sequence identified in the Pfizer plasmid.Quantification by Qubit fluorometry
For total DNA quantification, Qubit fluorometry with the DNA-specific dye AccuGreen was used. Fluorescence intensity is proportional to the amount of DNA present and provides a sequence-independent but structure-sensitive overall estimate (dependent on dye specificity and sample composition).Size profile of residual DNA using ONT sequencing
The size distribution of DNA fragments in a Pfizer sample was determined using Oxford Nanopore sequencing. It should be noted that the library preparation method used systematically removes fragments smaller than approximately 150 base pairs (bp). As a result, the obtained length distribution is biased toward longer fragments and does not fully represent the actual proportion of short fragments.DNA inside or outside LNPs – nuclease protection assay
To assess whether residual DNA is located inside the lipid nanoparticles (LNPs) or freely outside them, the enzyme DNase I-XT was added directly to the unmodified vaccine – that is, to intact, non-disrupted LNPs. DNase I-XT degrades accessible DNA. Subsequent qPCR measurement allowed comparison of DNA quantities before and after enzymatic treatment.Analysis of VAERS data
For each investigated batch, a Serious Adverse Event Reporting Ratio (SRR) was calculated from the VAERS database, defined as the ratio of serious adverse event reports to all reported adverse events. This value was then compared with the measured DNA concentration for the corresponding batch.c) Key Results
Quantitative findings and method comparison
The comparison of qPCR and Qubit fluorometry results shows that the measured values strongly depend on the analytical method used.Determination of DNA concentrations for Pfizer
qPCR Qubit fluorometry Ori probe: 0,28 – 4,27 ng/dose
Spike probe: 0,22 – 2,43 ng/doseTotal DNA: 1.896 – 3.720 ng/dose The SV40 promoter-enhancer-Ori was detected only in Pfizer vials, with Cq values between 16,64 and 22,59.
Determination of DNA concentrations for Moderna
qPCR Qubit fluorometry Ori probe: 0,01 – 0,34 ng/dose
Spike probe: 0,25 – 0,78 ng/doseTotal DNA: 3.270 – 5.100 ng/dose Relative to the FDA limit of 10 ng DNA per dose, the qPCR values are below the threshold, whereas the fluorometric values exceed it by 188- to 509-fold.
The authors note that qPCR methods cannot detect DNA fragments below the amplicon length (105–114 bp) and therefore systematically underestimate the total DNA amount.
Furthermore, the measurements revealed variations in DNA levels between different batches of the same vaccine – indicating possible fluctuations in the purification process.
DNA located inside LNPs
After treatment of intact Pfizer vaccine with DNase I-XT, the subsequent qPCR measurement showed little to no change in DNA quantity. Since the enzyme only degrades accessible DNA, this result suggests that the majority of the residual DNA is located inside the lipid nanoparticles (LNPs) and is therefore protected from enzymatic degradation.Size profile of residual DNA
ONT sequencing of a Pfizer sample revealed a mean fragment length of 214 bp. Individual fragments reached lengths of over 1.000 bp; the longest detected fragment was approximately 3.200 bp and thus corresponded to roughly half of the plasmid length of 7.810 bp.Since the library preparation systematically excludes fragments below 150 bp, it is assumed that the actual proportion of short fragments in the sample is higher than what is reflected in the sequencing data.
Exploratory VAERS correlation with measured DNA levels
The authors observed a positive correlation between measured DNA concentrations at the batch level and the SRR value of the respective batch. Batches with higher DNA amounts tended to show higher proportions of serious adverse event reports in the VAERS database.d) Interpretation by the authors
Method dependence of residual DNA assessments
The authors report two fundamentally different measurement outcomes for the same vaccines:Method Result: residual DNA per dose
(FDA limit: 10 ng/dose)Interpretation qPCR BELOW FDA limit Compliant Fluorometry 188- to 509-fold ABOVE FDA limit Exceedance This means that depending on the analytical method used, completely contradictory conclusions can be reached.
This discrepancy is a central finding of the study and highlights the strong methodological dependence of measured DNA quantities.
Note on methodological inconsistency
The authors argue that the observed discrepancies cannot be explained solely by measurement imprecision, but rather result from fundamentally different measurement principles.The European Medicines Agency (EMA) applies ratiometric guidelines – meaning that there is an allowed limit for the ratio of DNA to RNA (e.g., 330 ng DNA per 1 mg RNA).
However, different methods are used to measure RNA and DNA, which differ in their specificity:
What is measured Method used What is actually measured RNA
(main component)Fluorometry / UV spectrophotometry Total nucleic acids
(non-specific)DNA
(residuals)qPCR Specific DNA sequences
(selective)Various supporting sources on this:
- „Rapporteur Rolling Review critical assessment report” (Table S.2.6-16. Evolution of BNT162b2 Drug Substance Methods)
- „EU Official Control Authority Batch Release Certificate for Immunological Products” (Table 2. Drug Substance Quality Control Tests)
- „Assessment report EMA/707383/2020”
- „Assessment report EMA/15689/2021”
The authors argue that if:
- RNA is measured using a non-specific method (fluorometry: also detecting DNA fragments, degradation products, etc.), and
- DNA is measured using a specific method (qPCR: detecting only the exact target sequence),
then the two resulting measurements are not methodologically compatible.
As a result, the calculated DNA/RNA ratios are methodologically biased and not directly comparable.
This argument concerns the comparability of measurement methods, not necessarily the validity of each individual measurement.
The authors advocate that regulatory agencies should not only define threshold values but also specify the exact analytical methods that must be used for compliance testing.DNA within LNPs: biological implications
The presence of DNA inside lipid nanoparticles (LNPs) is considered by the authors to be potentially biologically relevant. Unlike free, naked DNA – which is rapidly degraded in the body – LNP-encapsulated DNA is protected from nucleases and can be efficiently taken up by cells. According to the authors, existing regulatory thresholds were developed for naked host-cell DNA and do not account for this difference.Criticism of regulatory guidelines
The authors raise fundamental criticism of current threshold concepts. They argue that existing guidelines are based on outdated assumptions, that they neglect molecule number in favor of mass-based metrics, that they do not consider cumulative dosing (multiple doses within a short period of time), and that they overlook functional sequences such as promoters or nuclear targeting signals. In particular, the presence of the SV40 promoter/enhancer in the Pfizer plasmid is highlighted as a factor that could facilitate the transport of DNA into the cell nucleus.Exploratory VAERS analysis
The observed correlation is interpreted by the authors as a possible indication of a relationship between DNA content and adverse event profiles. It is explicitly emphasized that this is an exploratory observation and does not allow for causal conclusions. Therefore, the authors call for further investigation.e) Methodological limitations
The origin, storage, and batch characterization of the investigated samples are overall well documented – cold chain handling, transport conditions, and vial integrity are described. However, the thermal lysis step without subsequent purification is not validated in a regulatory context; information on extraction efficiency is lacking.
All examined vials were already expired at the time of analysis. Three Moderna XBB.1.5 vials consisted of residual volumes remaining after patient administration and were not originally sealed. They therefore differ in sample quality from the other vials and must be assessed separately.
The VAERS correlation is subject to substantial uncertainty. VAERS is a passive reporting system: reports are not systematically verified, reporting rates vary across time periods and regions, and correlations at the batch level do not allow inference of individual causality. The interpretive value of this analysis is therefore structurally limited – independent of the quality of the analytical measurements.
Finally, the ONT sequencing approach only captures fragments above approximately 150 bp due to library preparation, and does not fully represent the true proportion of shorter DNA fragments.
f) Contextualization
The study extends the findings of Kevin McKernan in several ways: it examines additional batches, provides a nuclease protection assay as direct evidence for the intraparticulate location of DNA, and addresses structural limitations of current regulatory methodologies. The analytical component represents a factual contribution to the ongoing debate.
The exploratory component – the linkage with VAERS data – is methodologically demanding and subject to the known limitations of the reporting system. The authors themselves characterize it as hypothesis-generating rather than confirmatory.
The authors point out several limitations of their study and call for replication of their findings under forensic-grade conditions.
Overall, the study emphasizes the need for standardized and methodologically harmonized approaches for assessing residual DNA in mRNA-based medicinal products.
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4.3.3. König & Kirchner (2024)
Methodological Considerations Regarding the Quantification of DNA Impurities in the COVID-19 mRNA Vaccine Comirnaty®
Authors: Brigitte König, Jürgen O. Kirchner
Published: May 8, 2024 (Peer-reviewed, PubMed)
Link to study: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38804335/a) Context and Objective of the Study
The work by Brigitte König and Johannes O. Kirchner differs fundamentally in its objective from the previously described studies. While earlier work primarily aimed at detecting and quantifying residual DNA in mRNA vaccines, this study focuses on a methodological evaluation of the analytical methods used for detection.
The key question is: Is the qPCR-based DNA quantification used in the authorisation process suitable for batch testing and, therefore, as a quality assurance tool?
To address this question, the authors examine:
- which analytical methods are used for the quantification of residual DNA,
- what methodological limitations these methods have, and
- to what extent different methods can lead to divergent results.
The study was peer-reviewed and published in a scientific journal.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
The laboratory received several original sealed vials from different batches of the mRNA vaccine Comirnaty® (BNT162b2), provided by official vaccination centers. Storage and transport were carried out under documented compliance with the cold chain (2–8 °C). Four batches were already expired at the time of analysis, while three still had a remaining shelf life of 11 to 13 months.The authors combine two approaches: a critical methodological analysis of existing procedures and their own laboratory measurements.
A critical analysis of methodology
The authors examine the qPCR method described in the EMA’s November 2020 rolling review document (including the sample preparation protocol set out therein) and identify three structural issues.
First, the qPCR assay detects only a 69 bp target sequence – the T7 promoter – within a 7,824 bp plasmid. The remaining 99% of the plasmid DNA, as well as any potential bacterial genomic DNA, are not captured. The authors note that this limitation is fundamentally inherent to any qPCR approach that targets only single sequences – regardless of which sequence is chosen.
Second, the standard curve used is methodologically problematic. For quantification, a calibration curve is generated using untreated, intact plasmid DNA. However, the DNA in the vaccine sample has undergone multiple processing steps during manufacturing – particularly a DNase digestion – and is therefore fragmented. Since fragmented DNA amplifies less efficiently than intact DNA, the measured concentration is systematically underestimated compared to the true amount present. A correct comparison would require a standard curve generated from DNA that has been subjected to the same treatment steps as the sample.
Third, the question of proportionality arises:
- Are there sequence-dependent differences in degradation rates?
- Is the qPCR target sequence degraded proportionally to the rest of the plasmid during DNase treatment?
- Are certain regions of linearized plasmid DNA degraded more or less efficiently than others?
If proportionality does not hold, any extrapolation from the target sequence to total DNA content is methodologically flawed. The European Pharmacopoeia (Ph. Eur. 2.6.35) confirms this limitation: while qPCR is described as a method of choice for detecting specific sequences, it explicitly notes that other or complementary methods may be required for total DNA quantification.
Considerations on regulatory practice
The authors point to an inconsistency in regulatory practice: according to an European Directorate for the Quality of Medicines & HealthCare protocol, DNA is measured only at the drug substance level, not in the final vaccine product. The rationale given is that lipid nanoparticles (LNPs) may interfere with DNA measurement. At the same time, RNA concentration in the final vaccine is measured using fluorometry after disruption of the LNPs with Triton X-100. Since both RNA and DNA are nucleic acids with comparable analytical properties and both may be encapsulated within LNPs, this difference in approach appears to require further justification. Whether this reflects technical constraints or regulatory considerations not fully disclosed in public documents cannot be conclusively assessed based on the available sources.Own measurements using Qubit fluorometry
To evaluate the practical suitability of an alternative method, the authors conducted own measurements on seven Comirnaty® batches. Samples were analyzed both before and after the addition of the detergent Triton X-100, which disrupts LNPs and releases their encapsulated contents. Qubit fluorometry with the DNA-specific dye PicoGreen was used as the measurement system.c) Key Results
Qubit measurements before and after LNP disruption
Without Triton X-100, only small amounts of DNA were detected. After addition of Triton X-100, the measured values increased dramatically – to 360- to 534-fold above the regulatory limit of 10 ng per dose, corresponding to 3,600 to 5,340 ng DNA per dose.In the four expired batches, between 16% and 81% of the total DNA was already detectable without Triton X-100, suggesting partial degradation of the lipid nanoparticles (LNPs) over storage time. In the three fresh batches, 93% to 97% of the DNA became detectable only after LNP disruption, indicating largely intact particles.
RNA measurements as control
The parallel RNA measurements served as a methodological control and showed plausible values. The authors interpret this as evidence for the general suitability of the Qubit system in this sample matrix.d) Interpretation by the authors
Critique of qPCR as the sole reference method
The authors conclude that the regulatory qPCR-based method is structurally unsuitable for reliably quantifying total DNA in the final vaccine product. According to their findings, DNA levels substantially exceed the regulatory threshold, but remain undetected because the applied method only measures a small target region of the existing DNA and is additionally performed at the drug substance level rather than on the final product.Call for methodological adaptation
The authors therefore advocate for fluorometric spectroscopic measurement of total DNA in the final vaccine formulation as part of official batch release testing – analogous to the already established RNA measurement.DNA within LNPs: biological implications
Furthermore, they call for a reassessment of the potential risks associated with LNP-encapsulated DNA, particularly with respect to possible integration into the human genome.e) Methodological limitations
Small sample size
The study is based on a limited sample of seven batches. The samples were provided as original sealed vials from official vaccination centers; storage and transport were carried out under documented cold chain conditions. The provenance documentation is therefore comparatively well substantiated.Influence of expiry date on LNP integrity
Four of the seven batches were already expired at the time of analysis. Expired samples may undergo chemical changes, particularly with regard to lipid nanoparticle (LNP) integrity. The authors explicitly acknowledge this and interpret the increased detectability of DNA without Triton X-100 in expired batches as an indication of partial LNP degradation over time.No RNase treatment prior to fluorometry (Qubit)
Qubit assays use DNA-specific dyes that can also exhibit interference with RNA (the main component of the vaccine). Without prior RNase digestion, the measured „DNA amount” is likely to be overestimated.Lack of formal validation
The Qubit method was not formally validated by the authors according to regulatory standards. Such validation – required under the ICH Q2(R2) for regulatory analytical methods – includes systematic demonstration of specificity, limit of detection, linearity, precision, accuracy, robustness, and matrix effects. The authors justify the suitability of the method through an argumentative approach: by comparing measurements before and after LNP disruption and by demonstrating plausible RNA control values. This is an acceptable framework for a scientific publication aimed at illustrating a methodological point. This remark is not intended as a criticism of the authors’ diligence, but rather as an objective assessment of the context in which the work was published.Lack of validation of extraction efficiency
Extraction methods do not always demonstrate that they completely release and quantify all DNA (particularly small fragments and encapsulated DNA). This can lead to over- or underestimates.Availability of regulatory test methods
The methodological critique relies, with respect to the regulatory qPCR method, on a rolling review document from the early authorization phase. Whether the method described there is identical to the final approved batch release assay cannot be conclusively determined based on publicly available sources.f) Contextualization
König and Kirchner make a methodologically independent contribution to the debate. Unlike the work of Kevin McKernan and David J. Speicher, the focus is not on how much DNA is present, but on whether the analytical methods used are capable of reliably answering that question in the first place.
The study thus makes an important contribution to the debate by:
- highlighting the methodological dependence of measurement outcomes
- exposing limitations of established standard methods (in particular qPCR)
- and emphasizing the need for cross-method validation
It also illustrates that differences between studies do not necessarily reflect contradictory or incorrect results, but are often explained by:
- different detection methods
- different target sequences
- and variations in sample preparation
Overall, the work underscores that DNA quantification in this context is methodologically complex and that results from different studies are only limitedly comparable in a direct way.
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4.3.4. Didier Raoult (2024)
Confirmation of the presence of vaccine DNA in the Pfizer anti-COVID-19 vaccine
Authors: Didier Raoult
Published: November 12, 2024 (Preprint, HAL Open Science)
Link to study: https://hal.science/hal-04778576v1a) Context and Objective of the Study
The work by Didier Raoult is part of a series of independent investigations examining the presence of DNA in mRNA-based COVID-19 vaccines.
The objective of the study is to experimentally confirm the presence of DNA components in the Pfizer/BioNTech vaccine and to independently verify the findings reported by earlier research groups. The study is therefore primarily intended as a replication effort.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
The study examined only the Comirnaty® (BNT162b2) mRNA vaccine manufactured by BioNTech/Pfizer. The analysis was based on a limited number of samples; the available report does not provide a systematic overview of vaccine batches.The study employed classical molecular biology techniques for nucleic acid analysis.
Disruption of lipid nanoparticles (LNPs)
The lipid nanoparticles (LNPs) were disrupted using the detergent Triton X-100.Quantification by Qubit fluorometry
For one batch (No. GJ7184), DNA quantification was performed using a commercial Qubit fluorometer, both before and after LNP disruption with Triton X-100.Illumina sequencing
Two batches (FP8191 and FP9359) were analyzed using Illumina sequencing. Reverse transcription was deliberately omitted, meaning that RNA was not converted into DNA. This ensured that only DNA originally present in the sample was sequenced, rather than DNA copies generated from vaccine mRNA.The resulting reads (sequenced fragments) were compared with the known plasmid DNA reference sequence, GenBank OR134577.1. For the bioinformatic analysis, only sequence fragments longer than 200 bp and showing more than 90% identity to the reference sequence were included.
As a control experiment, the samples were treated with DNase prior to sequencing and then sequenced again to determine whether the observed signal was indeed attributable to DNA.
c) Key Results
Quantification by Qubit fluorometry
Ohne Triton X-100 wurden durchschnittlich 216 ng DNA pro Dosis gemessen. Nach LNP-Aufschluss mit Triton X-100 stieg der Wert auf durchschnittlich 5.160 ng pro Dosis – ein Anstieg um das ca. 24-Fache. Bezogen auf den angegebenen RNA-Gehalt von 30 µg pro Dosis entspricht dies rechnerisch einem DNA-Anteil von etwa 17 %.Without Triton X-100 treatment, an average of 216 ng of DNA per dose was measured. After disruption of the lipid nanoparticles (LNPs) with Triton X-100, the value increased to an average of 5,160 ng per dose, representing approximately a 24-fold increase. Based on the stated RNA content of 30 µg per dose, this corresponds mathematically to a DNA proportion of approximately 17%.
Sequencing by Illumina
Using Illumina sequencing, more than 140,000 reads longer than 200 base pairs were generated. From these data, the complete 7.824 bp plasmid sequence could be reconstructed. This indicates that the DNA fragments present collectively covered the entire plasmid sequence.Die Sequenzierungstiefe war mit mehr als 4.000-facher Abdeckung außergewöhnlich hoch – das bedeutet, jede Position des Plasmids wurde im Durchschnitt von mehr als 4.000 unabhängigen Reads abgedeckt. Die Sequenzdaten beider Chargen wurden in der GenBank hinterlegt (PP544445 und PP544446).
The sequencing depth was exceptionally high, with more than 4.000-fold coverage, meaning that each position within the plasmid was covered on average by more than 4.000 independent reads. The sequence data from the two analyzed batches were deposited in GenBank under accession numbers PP544445 and PP544446.
Between 63% and 97% of the sequenced DNA could be assigned to the vaccine plasmid. The origin of the remaining 3% to 37% was not further investigated.
DNase control experiment
Following DNase treatment, virtually no reads were detected (only 1–2 reads remained). This near-complete loss of signal after DNase treatment suggests that the sequencing signal indeed originated from accessible DNA, either freely present or released after LNP disruption.d) Interpretation by the authors
Reproducibility
The author interprets the findings as an experimental confirmation of results reported in earlier studies. The abundant presence of plasmid DNA in the Pfizer/BioNTech vaccine could be demonstrated across multiple batches and using several independent analytical approaches. The consistency with previous reports is presented as evidence supporting the reproducibility of such findings.DNA encapsulated in cationic lipids: biological implications
With regard to potential biological consequences, the author notes that plasmid DNA encapsulated within lipid nanoparticles (LNPs) could, in theory, integrate into the genome after cellular uptake. However, the author explicitly characterizes the actual risk as extremely low. Nevertheless, he argues that further investigation of this question would be scientifically justified.e) Methodological limitations
Origin and storage of the samples
Information regarding the origin, storage history, and condition of the analyzed vials is largely absent. It is not documented whether the samples were originally sealed, properly refrigerated, and unopened prior to analysis.Missing methodological details
Several important methodological details are not specified:- No information is provided regarding RNase treatment to remove RNA before DNA quantification.
- The specific Qubit kit used (High Sensitivity or Broad Range) is not reported.
- No information is given on the extraction efficiency for LNP-encapsulated DNA.
- The DNase treatment is described only as using a „TURBO DNA-free kit”; the specific enzyme type is not identified.
Small sample size
The study is based on a limited sample of three vaccine batches.Sequencing and quantification
Illumina sequencing provides strong evidence for the presence and completeness of the plasmid sequence, but it is not an appropriate method for absolute quantification. High sequencing depth can arise even when relatively few DNA molecules are present at high copy number; therefore, sequencing coverage does not necessarily reflect the actual mass or concentration of DNA in the sample.f) Contextualization
The study supplements the existing body of evidence by providing further independent proof of plasmid DNA in mRNA vaccines. Its main contribution lies in the reproducibility of the qualitative findings: another laboratory, using different methods and different batches, has arrived at comparable results.
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4.3.5. Kämmerer et al. (2024)
BioNTech RNA-Based COVID-19 Injections Contain Large Amounts Of Residual DNA Including An SV40 Promoter/Enhancer Sequence
Authors: Ulrike Kämmerer, Verena Schulz, Klaus Steger
Published: December 3, 2024 (Peer Reviewed, Cureus/Public Health Policy Journal)
Link to study: https://publichealthpolicyjournal.com/biontech-rna-based-covid-19-injections-contain-large-amounts-of-residual-dna-including-an-sv40-promoter-enhancer-sequence/a) Context and Objective of the Study
The study investigates the presence of DNA components in mRNA-based COVID-19 vaccines, with a particular focus on regulatory sequence elements. Against the background of previous analyses, the study addresses three central questions:
- Can the high amount of residual DNA in BioNTech batches be confirmed using different analytical methods?
- Can existing DNA fragments be co-delivered into human cells together with the mRNA (transfection)?
- Does this lead to sustained spike protein production?
b) Materials and Methods
Vaccine batches
For the analyses, four original, unopened BNT162b2 batches were used:- FD7958, FE6975, and EX8679 (monovalent, Wuhan strain; expiration date October/August 2021)
- HD9869 (bivalent, Wuhan/Omicron XBB1.5; expiration date October 2024)
Batch GH9715, for which DNA contamination had already been demonstrated in previous studies, served as a positive control.
All vials were obtained from a pharmacy under refrigerated conditions, were originally sealed, and were continuously kept cold during transport and storage. The provenance documentation is therefore comparatively well substantiated.
Quantification
The lipid nanoparticles (LNPs) were disrupted using Triton X-100.
RNA quantification was performed using the Qubit RNA High Sensitivity assay.
For DNA quantification, three different fluorometric dsDNA assays were used:- Qubit dsDNA High Sensitivity assay
- Quanti-iT PicoGreen dsDNA assay
- AccuBlue High Sensitivity dsDNA assay
Fluorescence-based measurements were performed using a plate reader both before and after RNase A treatment (an RNA-degrading enzyme).
The use of three independent assays is methodologically considered an orthogonal approach: agreement across all three increases the reliability of the results substantially.
Cell line experiments and ELISA
To investigate whether the vaccines transfect human cells and lead to spike protein production, HEK293 cells were used – an immortalized human cell line with high transfection efficiency.The cells were cultured under standardized conditions. They were obtained from certified original stocks and were regularly tested negative for mycoplasma contamination.
For the transfection experiments, the cells were seeded in 12-well plates. The cell density was selected such that, after a short growth period, approximately 80% of the bottom surface area was covered. Each well was transfected with 1/12 of a clinical dose (corresponding to 25 µl) of the respective vaccine. An immediate medium change or washing step after transfection is not documented.
Cells and culture medium were harvested at day 1, day 3, day 5, and day 7 post-transfection. Untransfected cells at day 7 served as a negative control.
For protein analysis, the cells were washed to remove residual culture medium. Cells were then lysed using a lysis buffer, releasing intracellular contents. The amount of SARS-CoV-2 spike protein in both the cell lysate supernatant and the culture medium was quantified using a highly sensitive commercial ELISA kit.
Immunohistochemistry
Immunohistochemistry was performed to visualise the spike protein within the cells. To this end, HEK293 cells were seeded in 24-well plates (60% cell density) and transfected with 12.5 µl of a clinical dose per well (200 µl medium). After a 4-hour incubation, the cells were washed twice with PBS and supplemented with 500 µl of fresh medium.Twenty-four hours after the start of transfection, cells were harvested, fixed, embedded in 2% agarose, and processed into paraffin blocks after dehydration. Thin sections were cut from these blocks.
The cell sections were treated with a specific primary antibody against the SARS-CoV-2 spike protein (S1 subunit), which binds only to the spike protein. A secondary antibody, which binds to the first and triggers a colour reaction, was added. The spike protein appeared green under the microscope, whilst the cell nucleus was counterstained blue with haematoxylin for better visualisation.
PCR and agarose gel electrophoresis
Conventional PCR was used to test whether vaccine-derived DNA enters human cells. For each target region of the plasmid, a separate primer pair was used – for spike sequences, the ORI replication origin, the neomycin resistance cassette, and the SV40 promoter/enhancer. Each PCR reaction contains exactly one primer pair, thereby generating a defined amplicon.The PCR products were separated by agarose gel electrophoresis and their sizes determined by comparison with a DNA marker (GeneRuler). HEK293 cells were treated with half a vaccine dose (150 µl); after six hours, DNA was isolated and analyzed. Untreated cells served as a negative control.
Extracellular vesicles and mass spectrometry
Background: Cells constantly release extracellular vesicles (small membrane-bound particles) which, like tiny parcels, contain signalling molecules. These vesicles can travel to other cells.To investigate whether transfected cells release vaccine components via extracellular vesicles (EVs), EVs were isolated from the cell culture medium and analyzed using mass spectrometry (TimsTOF-HT). Protein identification was performed by comparison with a database containing human proteins as well as vaccine vector and spike sequences.
c) Key Results
Transfection and spike protein production
All four investigated batches led, under the applied cell culture conditions, to efficient uptake of mRNA into HEK293 cells and detectable spike protein production.The proportion of spike-positive cells ranged from 74.6% to 90.5%; untransfected cells showed no signal. Transfected cells additionally exhibited morphological changes – such as intracellular vacuolization and detachment from the growth surface – interpreted as signs of a cytopathic effect.
Spike protein production was detectable as early as day 1, increased until day 5, and remained detectable up to day 7. The authors interpret this as an indication of prolonged expression beyond the expected timeframe.
Spike protein release into cell culture medium
Spike protein was detectable in the cell culture medium for the monovalent batches; the bivalent batch was below the detection limit.Spike-Protein-Freisetzung über extrazelluläre Vesikel
Mass spectrometry showed that spike protein was primarily detectable in extracellular vesicles (14 spectral counts), while only minimal amounts were present in the soluble medium (2 spectral counts). The highest intracellular concentration was observed in the cell lysate (60 spectral counts).RNA content
The measured RNA values corresponded to the manufacturer’s specification of 30 µg per clinical dose.DNA content
Without LNP disruption, DNA values were 1.6- to 6.7-fold lower than after Triton X-100 treatment –further evidence that DNA is predominantly located inside the lipid nanoparticles.Without RNase treatment, measured DNA values ranged from 1.326 to 4.225 ng per dose. After RNase A treatment, values decreased to 32,71 to 43,38 ng per dose. The authors attribute the elevated initial readings to background signal caused by structured RNA regions: dsDNA-specific dyes preferentially bind double-stranded DNA but can generate increased signals in the presence of large amounts of RNA.
After correction, the measured DNA amounts exceeded the levels specified in regulatory guidelines. The results were reproducible across multiple measurements and showed good agreement between the three assays used.
PCR detection of plasmid elements
Strong PCR signals were detected in all four batches for all tested plasmid elements – spike sequences, ORI, neomycin resistance cassette, and the SV40 promoter/enhancer. The same elements were also detectable in HEK293 cells after transfection. For the SV40 promoter/enhancer, the primers produced two amplicons of different sizes (93 bp and 165 bp), a known methodological outcome attributable to the structure of the target sequence.d) Interpretation by the authors
The authors conclude that the investigated batches contain residual DNA that exceeds regulatory threshold values. The DNA is predominantly LNP-encapsulated, is taken up by cells, and remains detectable within them. The sustained spike protein production beyond seven days raises questions about the mechanism underlying this prolonged expression.
The authors place particular emphasis on the presence of the SV40 promoter/enhancer. This element is not required for mRNA production in E. coli. They discuss that such regulatory elements can influence transcriptional activity in certain experimental contexts. A potential role in nuclear localization or genomic integration is raised as a theoretical consideration.
The authors criticize existing regulatory limits as not being designed for LNP-based RNA injection products and emphasize that there is currently no scientific evidence sufficient to define a universally safe DNA threshold for this product class.
They also report that spike protein is released via extracellular vesicles (exosomes). The extent to which such vesicles contribute to protein distribution in the human body remains an active area of research and is not yet fully understood.
Finally, the authors highlight a fundamental issue: the choice of analytical method significantly influences the results, and this must be carefully considered when comparing studies.
e) Methodological limitations
Cell line
HEK293 cells are immortalized and exhibit altered properties compared to primary cells (e.g., muscle, immune, or neuronal cells), particularly higher transfection efficiency and modified regulatory mechanisms.Dosage
The applied dose is not physiologically representative. The quantities used (e.g., 1/12 of a clinical dose per well) result in direct and locally high cellular exposure that does not reflect distribution conditions in the human body.In vitro context
All experiments were conducted under cell culture conditions. Direct extrapolation to in vivo conditions – such as distribution, degradation, or immune response in the human body – is therefore not straightforward.Assay specificity
Fluorometric methods are sensitive to interference signals, which may affect DNA quantification.Mean value interpretation
The measured residual DNA ranged from 32,71 to 43,38 ng per clinical dose. These values are based on fluorometric measurements using three different assays (PicoGreen, Qubit, AccuBlue). Since the individual assays produced partly divergent results, the reported range represents the arithmetic mean across methodologically different measurement principles. The spread of individual measurements is substantial, meaning the mean value should primarily be interpreted as an orienting estimate.f) Contextualization
The study goes beyond the mere quantification of residual DNA: it links analytical detection with cell-based experiments and examines potential biological consequences. It combines multiple analytical and functional methods (fluorometric assays, PCR, ELISA, and mass spectrometry), thereby pursuing a comparatively broad investigative approach.
The study further highlights that even within the same methodological category, substantial differences can occur between individual fluorometric assays. This finding underscores the importance of methodological standardization for future investigations.
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4.3.6. Wang et al. (2024)
A rapid detection method of replication-competent plasmid DNA from COVID-19 mRNA vaccines for quality control.
Authors: Tayler J. Wang, Alex Kim, Kevin Kim
Published: December 29, 2024 (Journal of High School Science, peer-reviewed)
Link to study: https://jhss.scholasticahq.com/article/127890-a-rapid-detection-method-of-replication-competent-plasmid-dna-from-covid-19-mrna-vaccines-for-quality-controla) Context and Objective of the Study
The study by Wang et al. addresses a different research question than the studies presented so far. The focus is not on the total amount of residual DNA but on a more specific question: Does the detected DNA contain functional, replicable plasmid sequences – that is, fragments that could be introduced into bacteria and replicated there??
To answer this question, the authors developed a simple and rapid detection method. Their underlying rationale was that if the DNA template used during vaccine manufacturing had not been completely removed, intact or nearly intact plasmids might still remain in the final product.
The work was conducted as part of an FDA student volunteer program and carried out on the FDA White Oak Campus with support from scientists at the U.S. Food and Drug Administration (FDA). The publication venue, the Journal of High School Science, reflects the educational context of the project rather than the institutional setting in which the work was performed.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
The study uses several fundamentally different sample sources, which must be clearly distinguished when interpreting the results.First, the authors investigated a self-produced laboratory vaccine containing the XBB.1.5 spike sequence, manufactured using a commercial lipid nanoparticle (LNP) kit. Second, they examined biosimilar reference materials obtained from BEI Resources. These NIH-supported reference materials were produced for research purposes and are not identical to licensed commercial vaccine batches. Third, they analyzed two commercial Pfizer vaccine batches – Lot PAA194854 (monovalent) and Lot PAA184098 (bivalent) – which were original sealed, licensed vaccine products.
Vaccine / Material Source Description In-house mRNA vaccine Self-produced Contains XBB.1.5 spike sequence,
formulated in LNPsModerna Biosimilar BEI Resources Not the original commercial product Pfizer Biosimilar BEI Resources Not the original commercial product COMIRNATY Original
(NR-59604)BEI Resources Monovalent (Wuhan strain) COMIRNATY Bivalent
(NR-59605)BEI Resources Bivalent (Wuhan + Omicron BA.5) DNA-Extraktion DNA extraction
DNA was extracted using a commercial plasmid miniprep kit (Monarch Plasmid DNA Miniprep, New England Biolabs). The kit contains RNase A in the neutralization buffer, resulting in substantial degradation of RNA during the extraction process. DNA was eluted in 30 µl of nuclease-free water.Quantification
DNA concentration was determined using two methods: NanoDrop spectrophotometry and the Qubit dsDNA High Sensitivity (HS) assay. The authors explicitly note that NanoDrop does not distinguish between DNA and RNA and may be influenced by free nucleotides, salts, and organic compounds. Qubit is more specific for double-stranded DNA, but can also overestimate DNA concentrations in the presence of large amounts of RNA or when samples are inadequately prepared.Transformation assay – the proposed detection method
The first step involves extraction of DNA from the vaccine sample. The extracted material consists of various DNA fragments, potentially including the origin of replication (ORI), which serves as the starting point for plasmid replication, and an antibiotic resistance gene, which enables selection of transformed bacteria.The extracted DNA is then treated with T4 DNA ligase. This enzyme joins DNA fragment ends together. As a result, linear DNA fragments can be re-circularized into plasmids. Because the ligase can join compatible DNA ends regardless of their original arrangement, fragments that were separate in the original vaccine preparation may become artificially linked, creating recombinant artifacts.
These newly formed plasmids are subsequently introduced into specially prepared E. coli bacteria through a transformation procedure.
The underlying reasoning:
- If DNase digestion during vaccine manufacturing was efficient, the remaining DNA fragments should be so small that they no longer contain a complete origin of replication (ORI) or a complete antibiotic resistance gene. In that case, even after ligation, no functional plasmid can be formed.
- If DNase digestion was incomplete, larger DNA fragments may still be present that contain intact ORI and antibiotic resistance sequences. After ligation, these fragments may be able to form a functional plasmid. Importantly, the ligase can only join DNA ends that already exist; it cannot reconstruct missing portions of a gene from numerous small fragments.
Only bacteria that acquire a plasmid containing both a functional antibiotic resistance gene and a functional ORI can survive on antibiotic-containing growth media and form visible colonies. The appearance of bacterial colonies therefore serves as a direct biological indication that replication-competent plasmid DNA was present in the original vaccine sample.
Size analysis
Fragment sizes were determined using agarose gel electrophoresis and an Agilent 2100 Bioanalyzer.c) Key Results
Quantitative findings
DNA amounts per dose measured by Qubit ranged from 40 to 110 ng, thus above the WHO guideline threshold of 10 ng. NanoDrop yielded substantially higher values (several thousand ng), which the authors attribute to the well-known lack of specificity of this method.Laboratory vaccine and biosimilar materials
In the self-produced laboratory vaccine and the Pfizer biosimilar, replication-competent DNA fragments were detected: the transformation assay produced bacterial colonies. In contrast, no colonies were observed in the Moderna biosimilar and the in-house standard, despite higher measured DNA concentrations. This indicates that colony formation is not determined solely by total DNA quantity, but depends on the integrity of functional sequence elements.Commercial Pfizer batches
In the two commercial Pfizer batches, no replication-competent DNA fragments were detected; the transformation assay did not yield colonies. Fragment size analysis showed that nearly all detected DNA was shorter than 35 bp. According to the authors, this is consistent with a fully effective DNase digestion during manufacturing.d) Interpretation by the authors
The authors interpret the absence of replication-competent DNA in the commercial batches as evidence of the effectiveness of the industrial manufacturing process. The complete fragmentation of plasmid DNA to below 35 bp makes any biological activity of the residual DNA unlikely, according to the authors – including the SV40 promoter/enhancer sequence, whose functionality is considered practically impossible at such fragment sizes.
At the same time, the authors confirm that total DNA levels exceed the WHO guideline threshold and recommend stricter and more transparent monitoring of residual DNA. They frame this recommendation as a measure also intended to strengthen public confidence in mRNA vaccine technologies.
e) Methodological limitations
Sample size and selection
The study includes only two commercial batches, which does not allow for robust conclusions regarding batch-to-batch variability. The biosimilar materials used are not identical to licensed commercial products; therefore, findings from these samples cannot be directly generalized to marketed vaccine products.DNA extraction
Extraction was performed using a plasmid miniprep kit that is primarily optimized for the isolation of intact plasmids. It is not yet fully understood to what extent highly fragmented DNA fragments – particularly very short fragments – are fully captured using this method.Detection limits of the transformation assay
The method only detects DNA fragments that, after ligation, contain a functional origin of replication (ORI) and an antibiotic resistance gene. It assesses whether sufficiently large fragments (>800 bp for the resistance gene, >600 bp for the ORI) are present that could form a functional plasmid after ligation. Fragments lacking these elements – even if they contain other relevant sequences such as the SV40 enhancer (approximately 72–165 bp) – are not detected.
In addition, ligation can artificially generate plasmids that were not present in the original vaccine sample.Limits of functional interpretability
The transformation assay exclusively evaluates whether DNA fragments can form a replication-competent plasmid after uptake into bacteria. Other potential biological properties of DNA fragments are not assessed. In particular, the method does not allow conclusions about whether smaller or non-replicating fragments may have functional effects in other biological contexts. The study therefore specifically assesses bacterial replicative capability of certain plasmid components, not the broader biological relevance of all detectable DNA fragments.f) Contextualization
The study by Wang et al. investigates whether biologically active, replication-competent plasmid DNA can still be detected in vaccine samples.
It thereby adds an additional layer to the ongoing discussion. While PCR, fluorometry, and sequencing methods primarily provide information on quantity, sequence identity, and fragment length, the transformation assay used here specifically assesses the functional integrity of DNA in a bacterial system.
At the same time, the scope of the method is limited to the experimentally tested function: the assay only detects DNA that is transformable and replicable in bacteria. Other biological properties or potential mechanisms of action of DNA fragments are not examined.
Overall, the study provides a methodologically interesting contribution by focusing on the functional relevance of residual DNA, thereby complementing purely quantitative analyses.
The work thus highlights that the assessment of residual DNA should not rely solely on quantity but also consider its structural and functional properties.
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4.3.7. Fleming et al. (2025)
Quantitative Analysis of Nucleic Acid Content in Spikevax (Moderna) and BNT162b2 (Pfizer) COVID-19 Vaccine Lots
Authors: Richard M Fleming PhD, MD, JD; Peter Kotlár MD; Sona Pekova MD, PhD
Published: May 13, 2025 (Herald Open Access)
Link to study: https://www.heraldopenaccess.us/openaccess/quantitative-analysis-of-nucleic-acid-content-in-spikevax-moderna-and-bnt162b2-pfizer-covid-19-vaccine-lotsa) Context and Objective of the Study
The study was conducted in the context of an official request from authorities in Slovakia. The aim of the investigation was to characterize the nucleic acid composition of mRNA COVID-19 vaccines with regard to:
- identification and quantification of contained nucleic acids
- assessment of batch homogeneity (between and within lots)
- detection of undeclared genetic material
- evaluation of the stability of expired batches
The results were intended to provide insights into vaccine composition, stability, and manufacturing practices.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
Molecular analyses were performed on 24 batches – 17 Moderna and 7 Pfizer:Spikevax (Moderna): MV1013A, 200023A, 200156A, 223049, 200090A, 200106A, 200100A, 3005885, 3005836, 000090A, 000058A, 3005241, 3005697, 3006272, MV1018A, 400012A, 400011A and
BNT162b2 (Pfizer): FP9632, 1F1051A, 1LO84A, 1F1047A, 1F1059A, 1F1055A, PCB0020.
For each batch, five original, unopened vials were analyzed. Samples were stored at −80 °C and transported under documented temperature-controlled conditions. The provenance documentation is therefore comparatively well substantiated.
Disruption of lipid nanoparticles (LNPs)
Lipid nanoparticles were disrupted using a combination of:
▫️chaotropic salts (QIAamp DNA Mini Kit, Qiagen)
▫️heat treatment (60 °C)
▫️enzymatic digestion (proteinase K)
This released both the mRNA and any residual DNA.Reverse transcription and multiplex qPCR
The mRNA was converted into cDNA by reverse transcription. Quantification was then performed using multiplex real-time PCR (Rotor-Gene Q, Qiagen) with four simultaneous fluorescence channels:- FAM (green): for S-protein (cDNA)
- HEX (yellow): for vector origin (Ori) DNA
- Cy5 (red): for E. coli DNA
- ROX: as a passive reference signal
All three target sequences were thus measured simultaneously in a single reaction, although potential interactions between targets (e.g., competition for reagents) may influence quantification.
Quantification by qPCR
For the multiplex quantitative real-time PCR, the authors used primers targeting three different sequences:Target Source mRNA for S-protein
(Spikevax & BNT162b2)self-designed Expression vector DNA (Ori) adopted from previous studies E. coli genomic DNA (ITS) from a commercial kit (ISO 13485-validated) All primers and fluorescence-labeled hybridization probes were custom-synthesized by Eurofins Genomics (Germany).
Calibration strategy
Since the mRNA in the vaccines contains N1-methylpseudouridine modifications and the exact extent of these modifications is not known, it was not possible to generate synthetic standards for a conventional target-specific calibration curve. Instead, the authors validated PCR efficiency using serial dilution series of the vaccine samples themselves. For absolute quantification, they applied a universal calibration curve derived from averaged dilution series of 50 different microorganisms.Verification by Sanger sequencing
All PCR products from the 24 batches were verified by Sanger sequencing and compared against database reference entries.c) Key Results
mRNA detection and batch variability
PCR analysis confirmed the presence of the declared spike protein mRNA sequences in both vaccines.
Analysis of S-protein mRNA showed substantial variability between different batches for both products.
Absolute mRNA levels ranged from 10⁹ to 10¹⁰ copies/ml (measured as cDNA). However, some batches exhibited approximately 10-fold lower mRNA levels in both vaccine types.Detection of undeclared DNA sequences as an incidental finding
During validation of the cDNA dilution series, unexpectedly strong signals appeared in the DNA channels: the Cy5 channel (targeting Ori DNA) and, in some cases, the HEX channel (targeting E. coli DNA). Since the samples contained both cDNA and residual DNA, the Ori and E. coli primers also amplified these unintended templates. The resulting PCR products were purified and identified by Sanger sequencing, showing 100% sequence identity with the expression vector (plasmid Ori and spike cassette) as well as the E. coli ITS region.Quantitative DNA findings
A central finding of the study is the consistently high DNA content across all tested batches of both Moderna and Pfizer vaccines.Vaccine mRNA (cDNA) (copies/ml) DNA amount (copies/ml) Spikevax (Moderna) 109 – 1010 107 – 109 BNT162b2 (Pfizer) 1010 – 1011 108 – 109 Indication of near-complete DNA constructs
The authors note that the Ori primer (5′-end of the construct) and the Spike primer (3′-end, bases 3184–3417) both yield a signal simultaneously. Since the two primer binding sites are several thousand base pairs apart, this suggests that at least longer DNA fragments are present that could encompass both target regions.Batch heterogeneity in Moderna products
In three Moderna batches, the ratio of spike DNA to vector DNA is inverted and shifted by an order of magnitude in a manner that does not align with a single plasmid construct. The authors speculate that these batches may contain a second DNA construct – potentially an Omicron variant inserted into the same vector backbone.E. coli DNA
In two Pfizer batches, E. coli genomic DNA was detected at levels of approximately a few copies per milliliter, just above the assay’s detection limit.SV40
No evidence of SV40 sequences was detected.d) Interpretation by the authors
Presence of DNA
The authors argue that the detected DNA quantities – comparable in magnitude to the declared mRNA levels (on the order of 10⁷ to 10⁹ copies/ml) – are too high to be explained as random contamination. They therefore interpret the DNA as a regular, albeit undeclared, component of the vaccine formulations.Batch variability and mRNA identity
Batch-to-batch variability in mRNA content is assessed as a potential issue for dosing consistency. The use of the outdated Wuhan spike sequence is described as a limitation with respect to protective efficacy against currently circulating variants.Based on their findings, the authors recommend:
- improved purification protocols
- stricter batch testing
- genomic updates of vaccine constructs
- enhanced regulatory oversight
e) Methodological limitations
Universal calibration curve
Absolute quantification was not based on a target-specific standard curve, but on a universal curve derived from the average of 50 different microorganisms. This approach assumes comparable PCR efficiency across all target sequences. However, this assumption is not necessarily valid, particularly when dealing with different target types (mRNA, plasmid DNA, bacterial DNA) and complex sample matrices. As a result, absolute copy numbers should be interpreted with caution, whereas qualitative findings – i.e., the presence of detected sequences – are less affected.No measurement prior to LNP disruption
In contrast to other studies, no measurements were performed before lipid nanoparticle (LNP) disruption. Therefore, a direct comparison that could have provided information on the fraction of LNP-encapsulated DNA is missing.Non-informative SV40 conclusion
The authors report no detection of SV40. However, the primer set used did not include SV40-specific sequences. Consequently, while the statement is technically correct, it is not informative: neither detection nor exclusion of SV40 could be meaningfully assessed with the employed methodology.f) Contextualization
The study by Fleming et al. expands the existing literature primarily through its comparative approach across a relatively large number of batches.
Methodologically, it combines multiplex qPCR with Sanger sequencing to verify the amplified products. The detection of DNA sequences, including plasmid and bacterial DNA, is consistent with previous studies.
The work places particular emphasis on differences between batches as well as quantitative comparisons of measured nucleic acid fractions. The observed variability between individual lots thus adds to the ongoing discussion regarding potential differences in composition, fragmentation, and analytical detectability of residual DNA.
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4.3.8. Speicher et al. (2025)
Quantification of residual plasmid DNA and SV40 promoter-enhancer sequences in Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada
Authors: David Speicher, Jessica Rose, Kevin McKernan
Published: September 25, 2025 (PubMed/Herald Open Access)
Link to study: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40913499/a) Context and Objective of the Study
The study by Speicher, Rose, and McKernan is a methodologically extended follow-up to an earlier investigation by the same research group (Study 2, 2023). It builds on findings from McKernan et al. and Kämmerer et al., and aims to quantify residual DNA in mRNA vaccines using two independent methods – qPCR and Qubit fluorometry with RNase correction – across a larger sample set.
In addition, fragment lengths are assessed using Oxford Nanopore sequencing, and an exploratory correlation with VAERS adverse event data is performed.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
A total of 32 vials from 16 batches of mRNA-based COVID-19 vaccines were analyzed: BNT162b2 (Pfizer/BioNTech; 10 vials from 6 batches) and mRNA-1273 (Moderna; 22 vials from 10 batches). The samples were obtained from various pharmacies in Ontario, Canada.All vials were original sealed and featured intact flip-off caps with batch numbers and expiry dates. Storage and transport were carried out under cold-chain conditions (2–8 °C). The samples were stored in specialized cooling units and transported in insulated containers with ice packs, and were placed in the laboratory refrigerator within 5 hours of receipt.
A subset of samples consisted of residual volumes from recently used vials (within 30 minutes of clinical use), which were also transported under refrigeration and stored in the laboratory within 12 hours.
One Moderna sample had no printed expiration date but included a QR code enabling identification by pharmacy personnel.
Disruption of lipid nanoparticles (LNPs)
To disrupt lipid nanoparticles (LNPs), samples were heated for 8 minutes at 95 °C and subsequently cooled to 4 °C for 5 minutes. This thermal step serves to release the contained nucleic acids.DNA quantification by qPCR
DNA concentrations were determined using qPCR based on Cq values. The primers largely correspond to previous assays developed by the research group: spike probe, ORI probe, and an SV40 enhancer assay for Pfizer batches.Quantification was performed using a calibration curve based on synthetic DNA and 10-fold dilution series (QuantStudio 3). From the measured copy numbers of the target sequences, total DNA per dose was extrapolated, taking into account the full plasmid length (Pfizer: 7,824 bp; Moderna: 6,777 bp).
For each measurement, 1 µL of treated vaccine sample was directly added to the qPCR reaction without prior DNA extraction. Potential PCR inhibition by vaccine components was assessed using dilution series of selected samples.
DNA quantification using Qubit fluorometry
Samples were measured multiple times using the DNA-specific dye AccuGreen: without pretreatment, after LNP disruption by heating, and after RNase A treatment. The latter corrects for RNA-derived signal contributions (fluorescence dye crosstalk, as the dye can also bind RNA). The authors tracked fluorescence decay over a 10-minute time course, allowing them to estimate the RNA-related signal fraction and calculate the corrected DNA concentration.Size profiling of residual DNA via ONT sequencing
To determine DNA fragment size distribution, a previously sequenced Pfizer batch (FL8095) was used as a reference standard. Sequencing was performed using an Oxford Nanopore Flongle system with the Ligation Sequencing Kit (SQK-LSK114). The resulting reads were aligned to a reference plasmid sequence.The library preparation method (SPRI-based cleanup) may result in loss of short fragments (<100–200 bp), which can bias the observed length distribution toward longer DNA fragments.
Assessment of nuclease susceptibility
To assess whether DNA is located inside lipid nanoparticles (LNPs), DNase I-XT was added directly to the untreated vaccine samples. After a 30-minute incubation, the enzyme was inactivated, DNA was purified, and quantified by qPCR. A naked DNA control served as a reference.Exploratory VAERS correlation with measured DNA levels
For each batch, VAERS reports from Canada were collected, and the number of serious adverse events (SAEs) was correlated with the measured DNA levels (Spike, ORI, SV40). The aim was to examine a possible relationship between DNA content and reported adverse events. The association was calculated using Pearson’s correlation coefficient.c) Key Results
qPCR validation
The qPCR assays for Spike and ORI showed excellent performance with R² values of 0.998–0.999 and efficiencies of 94.7–99.8%. The SV40 assay showed slightly lower performance (R² = 0.906, efficiency 93.6%). Negative controls showed no signal.LNP inhibition
Undiluted samples exhibited PCR inhibition due to lipid nanoparticles. After 1:10 dilution, inhibition was resolved; therefore, diluted samples were used for quantification.qPCR-based quantification
All Pfizer batches tested positive for Spike, ORI, and SV40. The similar Cq values across all three targets suggest the presence of shared, intact DNA molecules. In Moderna samples, Spike and ORI were detected, but SV40 was absent. ORI signals in Moderna appeared approximately 3 cycles later than Spike, indicating either a lower abundance or fragmentation of the ORI region.The authors converted Cq values into absolute DNA amounts using the standard curve:
Vaccine Spike (ng/dose) Ori (ng/dose) SV40 (ng/dose) Pfizer 0,22 – 2,43 0,28 – 7,28 0,25 – 23,72 Moderna 0,25 – 0,78 0,01 – 0,34 not detected Pfizer showed higher residual DNA levels than Moderna overall.
Two Pfizer batches (FM7380 and FN7934, monovalent, PBS formulation) exceeded the FDA guideline threshold of 10 ng/dose based on SV40 content, with values up to 23.72 ng/dose. All other batches remained below this level.
Quantification using Qubit fluorometry
The authors measured samples repeatedly at different time points. The average variability (mean deviation from the mean) was:Measurement phase Pfizer Range Before heating 317 ± 278 ng/dose 43 to 727 ng/dose After heating 1.145 ± 533 ng/dose 519 to 1.949 ng/dose After RNase A 297 ± 217 ng/dose 100 to 765 ng/dose Measurement phase Moderna Range Before heating 456 ± 121 ng/dose 199 to 675 ng/dose After heating 1.554 ± 1.023 ng/dose 176 to 3.169 ng/dose After RNase A 1.065 ± 624 ng/dose 113 to 2.365 ng/dose After LNP disruption by heating, values increased markedly. Subsequent RNase A treatment reduced the measured signal (crosstalk correction).
Overall, Moderna showed consistently higher DNA levels than Pfizer.
A comparison between Qubit and qPCR showed a positive correlation for Pfizer, but not for Moderna. The authors interpret this discrepancy as evidence of DNA fragments lacking intact primer binding sites, which would therefore not be detected by qPCR.
Fragment length analysis
The longest detected read was approximately 3.5 kb and covered most of the plasmid backbone. This indicates that, in addition to short fragments, larger DNA fragments in the kilobase range are also present in the samples.DNA located inside LNPs
DNase treatment did not lead to a significant reduction in DNA signal in the vaccine samples (≤1 Cq shift), whereas naked control DNA was fully degraded. This is interpreted as evidence that the DNA is predominantly encapsulated within lipid nanoparticles (LNPs) and therefore protected from enzymatic degradation.Exploratory VAERS correlation with measured DNA levels
For the analyzed batches, adverse event reports from the US VAERS spontaneous reporting system were used. For all but three Moderna batches, VAERS reports were available.The authors conducted an exploratory correlation between measured DNA levels and VAERS data. They report that certain batches with higher DNA levels (particularly ORI DNA) also showed higher numbers of reported serious adverse events (SAEs).
d) Interpretation by the authors
The authors conclude that all analyzed batches contain residual DNA that is encapsulated within LNPs and therefore protected from degradation. The measured total amounts exceed existing regulatory guideline values. The SV40 promoter/enhancer element in Pfizer batches is highlighted as particularly relevant, as it may facilitate nuclear targeting and could theoretically increase the likelihood of genomic integration.
The authors also point to several methodological limitations:
Method Issue qPCR Cannot quantify molecules smaller than the amplicon length (105–114 bp), leading to potential underestimation of total DNA Qubit/fluorometry without RNase Overestimation due to RNA crosstalk (hence RNase treatment is required) Ethanol precipitation Loss of short fragments (<100 bp) ONT (Nanopore sequencing) Library preparation biases against fragments <150 bp, skewing results toward longer fragments The authors therefore conclude that the choice of method has a significant impact on the results – which is why methodological clarity is essential when setting threshold values.
The authors formulate several recommendations:
Recommendation Rationale Reassessment of DNA threshold values Current regulatory limits were developed for naked DNA in conventional vaccines. They should be reevaluated in light of LNP encapsulation, cumulative dosing, and functional genetic elements. Method standardization Since qPCR may underestimate total DNA, fluorometry with RNase correction should additionally be used to more accurately quantify residual DNA and the RNA/DNA ratio. Independent replication Results should be confirmed by other laboratories. Long-term monitoring Long-term effects (e.g., integration, cancer) are not recorded by VAERS. Consideration of functional sequences Not only DNA quantity is relevant, but also functional properties – particularly the presence of SV40 elements and promoter sequences. The authors interpret variability of residual DNA between and within batches as a potential indicator of inconsistencies in the manufacturing process.
e) Methodological limitations
The qPCR assay cannot detect fragments below the amplicon length (105–152 bp), leading to a systematic underestimation of total DNA content.
The ONT sequencing data are derived from a single batch and are biased toward longer fragments due to the purification method, which preferentially retains larger DNA molecules.
The exploratory VAERS correlation with measured DNA levels is only limitedly interpretable due to well-known limitations of spontaneous reporting systems – particularly the absence of exposure data and potential reporting biases. The authors additionally note further constraints: limited batch size, lack of precise dose administration data, and potential under-detection of long-term effects.
The sample set includes both expired vials and partially used residual volumes, which further reduces comparability within the dataset.
f) Contextualization
The study represents a methodologically expanded continuation of earlier work by the same research group, combining multiple analytical approaches – including qPCR, fluorometric quantification with RNase correction, nanopore sequencing, and functional assays of nuclease susceptibility. A key contribution is the direct comparison of different quantification methods, which highlights how strongly measured DNA levels depend on the analytical technique used.
The qualitative findings – particularly the detection of plasmid DNA in both vaccine types and SV40-related sequences in Pfizer batches – are consistent with other studies (e.g., McKernan et al., Kämmerer et al.). The observation that DNA appears to be encapsulated within lipid nanoparticles is also supported by multiple independent reports.
At the same time, substantial discrepancies are observed in quantitative DNA estimates between methods (qPCR vs. fluorometry), underscoring the importance of methodological standardization and limiting direct comparability across studies.
Overall, the study broadens the existing evidence base through a wider methodological scope and a larger sample size. Its main contribution lies in highlighting methodological issues and variability in measurement outcomes, which require further systematic investigation in future work.
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4.3.9. Achs et al. (2025)
Systematic analysis of COVID-19 mRNA vaccines using four orthogonal approaches demonstrates no excessive DNA impurities
Authors: Adam Achs, Tatiana Sedlackova, Lukas Predajna, Jaroslav Budis, Maria Bartosova, Vladimir Zelnik, Diana Rusnakova, Martina Melichercikova, Marta Miklosova, Veronika Gencurova, Barbora Cernakova, Tomas Szemes, Boris Klempa, Juraj Kopacek, Silvia Pastorekova
Published: December 13, 2025 (npj Vaccines, peer-reviewed; PMCID verfügbar)
Link to study: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12715226/a) Context and Objective of the Study
The study by Achs et al. follows a systematic and methodologically broad approach to investigating potential residual DNA in mRNA-based COVID-19 vaccines. It was conducted against the background of earlier reports describing elevated DNA quantities and specific sequence elements in such products.
The primary objective is to reassess these findings using multiple independent and complementary („orthogonal”) analytical methods, with a focus on evaluating the robustness of results against methodological influences. A central question is whether previously reported residual DNA findings are reproducible or can be explained by methodological artifacts.
A further emphasis is placed on evaluating the analytical methods themselves. The authors examine how different detection techniques – such as sequencing, qPCR, and fluorometric assays – may yield divergent results and what methodological limitations need to be considered.
Thus, the study not only aims to quantify potential residual DNA but also to contextualize the existing literature methodologically and assess the reliability of different analytical approaches in this context.
b) Materials and Methods
Vaccine batches
The study analyzed 15 vaccine batches – 9 Comirnaty (Pfizer) and 6 Spikevax (Moderna) – sourced from state-managed vaccine stocks in Slovakia and provided under the supervision of the State Institute for Drug Control. At the time of analysis, four Comirnaty batches were still within their expiration date, while the remaining batches had already expired. All vials were stored and transported according to manufacturer specifications.A subset of the batches –specifically those also examined in Fleming et al. (Study 7) – was deliberately included to enable direct cross-study comparison.
Four orthogonal analytical methods
A central methodological feature of the study is the application of four independent, complementary analytical approaches on the same samples. Each method has distinct strengths and limitations; their combined use is intended to produce more robust conclusions than any single technique alone.Method 1: qPCR
The LNPs were disrupted using Triton X-100, and the treated samples were added directly to the qPCR reaction without prior DNA extraction. This avoids a purification step that could lead to DNA loss. The authors explicitly tested for potential PCR inhibition by vaccine components and reported no relevant inhibition of amplification under the conditions used.Eight primer pairs were employed, targeting three regions of the production plasmid: the spike-coding sequence (SPIKE), the origin of replication (ORI), and the kanamycin resistance gene (KAN). Amplicon sizes varied considerably, ranging from 63 bp (KAN 1C) to 233 bp (SPIKE 2). Two primer pairs – SPIKE 2 and ORI 2 – correspond to those used in Fleming et al., enabling direct comparison between studies.
Quantification was performed using calibration curves based on synthetic DNA standards (gBlocks) matching the respective target sequences. Measured copy numbers were converted into nanograms per dose based on the molecular mass of each amplicon.
Method 2: Fluorometry
For fluorometric DNA quantification, a DNA extraction step was performed using two different extraction approaches: phenol-chloroform extraction (yield 60–80%) and magnetic bead-based extraction for cell-free DNA (yield 90–95%). Both methods included RNase A treatment to eliminate interference from mRNA with the DNA-specific fluorescent dye.Die RNA-Konzentration nach der Behandlung wurde kontrolliert und auf unter 1 ng/µl gesenkt. The authors experimentally demonstrated that even small amounts of RNA can significantly inflate the DNA signal, and that RNase treatment is necessary to minimize RNA-induced overestimation. After treatment, RNA levels were confirmed to be reduced to below 1 ng/µl.
Method 3: Capillary electrophoresis
Capillary electrophoresis was used to directly visualize very high DNA amounts, such as those reported in some previous studies. If DNA were present at levels of several hundred to thousand nanograms per dose, it would appear as a clear peak or smear in the electropherogram. Samples were treated with Triton X-100 and RNase A prior to analysis. Two kits were used – one covering the standard range (0.5–50 ng/µl) and another for high sensitivity (5–600 pg/µl per fragment).Method 4: Short-read sequencing (Illumina)
For sequencing, DNA was extracted using an optimized protocol combining heat treatment (95 °C), RNase A digestion, and proteinase K treatment. Library preparation was performed without an additional fragmentation step to preserve the original fragment length distribution as much as possible. Sequencing was carried out on a NextSeq 2000 system using paired-end reads, enabling precise fragment length determination.Bioinformatic analysis included de novo assembly of reads into complete plasmid sequences, followed by mapping of all reads to the reconstructed reference sequences.
c) Key Results
qPCR findings
All eight qPCR assays were performed in two independent laboratories by three operators. In none of the 15 analyzed batches was the regulatory threshold of 10 ng DNA per dose exceeded.Clear differences were observed between individual assays, depending on amplicon length. The highest DNA amounts were measured with the shortest amplicon (KAN 1C, 63 bp), reaching up to 8 ng/dose for Comirnaty. The lowest values were obtained with the longest amplicons (SPIKE 1A and SPIKE 2, 228–233 bp), at approximately 0.5–0.7 ng/dose. The authors attribute this discrepancy to DNA fragment length: with a median fragment length of ~150 bp, longer amplicons fail to detect many fragments because they are too short to contain both primer binding sites.
They interpret this consistent pattern across assays as evidence for the internal consistency of their methodological approach.
Fluorometry
After complete RNase A treatment and DNA extraction, fluorometrically measured DNA levels in all batches were below the regulatory threshold of 10 ng per dose.The authors experimentally demonstrated that insufficient RNase treatment can substantially overestimate DNA signals: even small amounts of RNA generate a measurable background signal in the DNA assay.
RNA measurements showed that all Comirnaty batches contained at least 90% of the declared mRNA content. In some Spikevax batches, values were lower, which the authors attribute to advanced expiration and degradation over time.
Capillary electrophoresis
No specific DNA signal was detected in any of the analyzed batches – neither with the standard kit (detection range 0.5–50 ng/µl) nor with the high-sensitivity kit (5–600 pg/µl per fragment). Weak, non-specific signals around 60 and 300 bp were observed in some samples, but these also appeared in the negative controls and were therefore attributed to methodological background noise.The authors argue that if DNA were present at levels of several hundred to thousand nanograms per dose, it would appear as a clear peak or smear in capillary electrophoresis. The complete absence of such a signal is considered inconsistent with such high DNA estimates.
RNA integrity analysis showed that six of nine expired batches had mRNA integrity below 50%, which was also visually reflected in a more turbid appearance of these vials compared with clear, non-expired samples.
Sequencing
The full sequences were generated bioinformatically by assembling many overlapping short reads and do not necessarily represent direct evidence of physically intact plasmid molecules.The proportion of plasmid-derived reads was 96.6% for Comirnaty (range: 95.3–98.1%) and 88.7% for Spikevax (range: 83.5–94.5%). The remaining reads mainly originated from E. coli K12 – a non-pathogenic laboratory strain – as well as bacteriophage sequences and repetitive sequences without database matches. The authors note that part of these reads may be attributable to reagent contamination, as described in the literature.
Fragment length analysis showed a median length of 154 bp for Comirnaty (range: 130–181 bp) and 144 bp for Spikevax (range: 127–201 bp). The fraction of fragments longer than 300 bp was low. Genome coverage across the plasmid was uneven, a pattern the authors consider consistent with incomplete or non-uniform DNase digestion.
d) Interpretation by the authors
DNA levels below regulatory threshold
The authors conclude that residual DNA in all 15 analyzed batches complies with the regulatory threshold of 10 ng per dose. In their view, this finding is robust because it is consistently supported across multiple complementary analytical methods. They further argue that the inclusion of expired batches strengthens the overall conclusion: even under conditions potentially associated with degradation or instability, no excessive DNA levels were detected.Origin and nature of the DNA
The authors conclude that the detected DNA originates exclusively from the production plasmid, i.e., from an expected and well-characterized by-product of the manufacturing process. According to their analyses, the DNA is highly fragmented, with a median fragment length of approximately 150 bp. In the authors‘ assessment, fragments of this size fall below the range typically associated with biological activity such as plasmid replication or efficient genomic integration.Explanation for differing findings in earlier studies
The authors discuss several methodological factors that, in their view, may help explain why some previous studies reported substantially higher DNA levels.First, they argue that fluorometric DNA assays can be significantly affected by residual mRNA if RNase treatment is incomplete. In their own control experiments, even small amounts of remaining RNA produced a noticeable increase in the apparent DNA signal. They therefore suggest that some of the elevated DNA values reported in earlier studies may have been influenced by RNA-related crosstalk effects.
Second, they emphasize the impact of amplicon length in qPCR-based assays. Because the detected DNA is largely fragmented, longer amplicons can only detect a subset of the available fragments. As a result, differences between studies may partly reflect differences in primer design and target regions rather than true differences in DNA content.
Overall, the authors interpret their findings as indicating that the detection of residual DNA in mRNA vaccines is highly method-dependent and that standardized analytical methods are needed.
Methodological Recommendations
The authors recommend the following for future analyses: complete RNase treatment with verification of residual RNA levels prior to fluorometric DNA measurement; direct use of Triton X-100–treated vaccine material for qPCR without prior DNA extraction to avoid losses; the use of short amplicons to achieve more comprehensive detection of fragmented DNA; and the combination of multiple complementary methods to ensure robust conclusions.Biological Assessment
The authors consider the risk posed by the detected residual DNA to be negligible, citing its low quantity, known plasmid origin, high degree of fragmentation, and the fact that no eukaryotic cell lines are used during manufacturing. They do not see any need to revise the existing regulatory limits or manufacturing practices.e) Methodological Limitations
Amplicon Size and Fragment Length
The authors themselves demonstrate that the measured DNA quantities depend strongly on the amplicon size of the respective qPCR assay. Using the shortest amplicon (KAN 1C, 63 bp), up to 8 ng per dose was measured – close to the regulatory limit. In contrast, the longest amplicons (SPIKE 1A and SPIKE 2, 228–233 bp) yielded only 0.5–0.7 ng per dose.These differences within the same study illustrate that qPCR results are substantially influenced by the chosen assay design. The measured values therefore do not represent an absolute total DNA content, but rather the fraction of DNA fragments that can be detected by the specific primer set used in each assay.
Fragment Length Determination by Illumina Sequencing
Sequencing revealed median fragment lengths of approximately 130–201 bp. However, these values should not be interpreted as direct measurements of the native fragment-length distribution.Library preparation involves multiple SPRI cleanup steps as well as PCR amplification, both of which can systematically disadvantage very short fragments (<150 bp). At the same time, very long fragments (>800 bp) may also be represented less efficiently during library preparation and sequencing, potentially resulting in underrepresentation or failure to be detected. Consequently, the reported length distribution primarily reflects the fragments that remained detectable after library preparation, rather than necessarily representing the original distribution present in the vaccine.
Therefore, the study does not permit definitive conclusions regarding either the true proportion of very short DNA fragments below the detection threshold or the possible presence of longer DNA fragments outside the size range that can be efficiently captured by the sequencing workflow.
Calculation Method in qPCR
The measured copy numbers were converted into nanograms based on the molecular mass of the respective qPCR amplicons, rather than using the full plasmid length. This approach is methodologically consistent for quantifying the actually amplified target regions. However, the resulting nanogram values are not directly comparable to studies that base their calculations on complete plasmid sequences.Influence of Extraction Efficiency
The fluorometric DNA measurements also depend on the efficiency of the extraction method used. The authors report an extraction yield of approximately 60–80% for phenol-chloroform extraction and about 90–95% for magnetic bead-based methods.Incomplete extraction can in principle lead to a fraction of the existing DNA – particularly very short fragments or nucleic acids still associated with lipid nanoparticles (LNPs) – not being fully recovered. Accordingly, bead-based extractions in the study tended to yield higher DNA values than the phenol-chloroform method.
No Measurement Before LNP Disruption
In contrast to some earlier studies, no systematic comparative measurements were performed before and after targeted disruption of lipid nanoparticles (LNPs). As a result, the data do not allow a direct inference regarding the proportion of detected DNA that was encapsulated within lipid nanoparticles.Capillary Electrophoresis: Limit of Detection
Capillary electrophoresis is well suited for detecting larger amounts of DNA. However, its sensitivity is limited for very low concentrations in the single-digit nanogram range. The method therefore complements qPCR and sequencing data but does not replace them.No SV40-Specific Analysis
The study does not include a specific assay for SV40 promoter/enhancer sequences. Consequently, no conclusions can be drawn from the data regarding the presence or absence of such sequences. This does not constitute a methodological weakness in a strict sense, as the investigation was not designed to detect SV40; however, compared to other studies, this aspect remains unaddressed.f) Contextualization
The study by Achs et al. represents one of the most methodologically comprehensive investigations to date into residual DNA in mRNA vaccines. It combines multiple complementary analytical approaches – qPCR with amplicons of varying lengths, fluorometric measurements with controlled RNase treatment, capillary electrophoresis, and short-read sequencing – performed on the same samples and across two different laboratories. This allows potential methodological artifacts of individual techniques to be better identified and contextualized.
In the overall context of the existing literature, the study highlights that the detection and quantification of residual DNA in mRNA vaccines is strongly method-dependent. Differences in sample preparation, extraction methods, RNase treatment, qPCR design, and sequencing approaches can lead to substantially different results.
Compared with earlier work, the study supports the assessment that the investigated batches do not contain unusually high levels of residual DNA. At the same time, several methodological questions – particularly regarding the complete fragment-length distribution of very short or very long DNA fragments – remain unresolved even with this approach.
Thus, the work by Achs et al. contributes less to a definitive resolution of the controversy than to a more precise methodological framing of the existing findings. In this sense, it complements previous studies – not by broadly contradicting their results, but by clarifying under which methodological conditions specific conclusions can be drawn.
4.4. What do we know – and what do we not know?
What the Available Studies Show in Common
The studies presented in this chapter originate from different laboratories, were conducted at different times, and employ partially distinct analytical methods. Nevertheless, several findings can be identified that are consistent across multiple studies.
First: Residual DNA is detectable in mRNA-based COVID-19 vaccines. This is not an unexpected finding; it is a known and anticipated consequence of the manufacturing process, which uses a DNA template for in vitro transcription. It is well established in the scientific literature that DNase I digestion does not guarantee complete removal of all DNA fragments.
Second: The detected DNA predominantly originates from the production plasmid. This is consistently shown by sequencing data from McKernan, Raoult, and Achs et al., as well as by PCR-based analyses from multiple research groups.
Third: Several studies provide indications that a relevant fraction of the detected DNA is protected from enzymatic degradation and is associated with lipid nanoparticles.
Where the Studies Diverge
The central question of dispute – how much DNA is actually present and whether regulatory limits are complied with – is answered differently across the available studies. These discrepancies are not primarily attributable to differences in the samples themselves, but can at least in part be explained by differences in methodological approaches.
Fluorometric measurements without adequate RNase treatment systematically yield higher values because the dye also binds RNA. PCR-based measurements depend on amplicon size: longer amplicons detect fewer fragments and therefore underestimate total DNA content. Sequencing methods provide qualitative information on sequence identity and fragment length, but do not offer reliable absolute quantification. Each method therefore measures slightly different aspects and correspondingly produces different numerical results.
This means that differences between studies are not necessarily evidence of flawed work by any of the research groups. Instead, they can – and in many cases must – be understood as a reflection of methodological variability.
What Remains Open
Despite the growing body of data, several questions remain unresolved.
The question of the true fragment-length distribution – particularly the proportion of very short fragments below 100 bp – has not yet been conclusively clarified. Illumina sequencing systematically underestimates short fragments, while ONT datasets can be more strongly influenced by longer fragments due to process-related selection and sequencing biases. A method that accurately captures the native fragment distribution without size-dependent distortion has not been applied in the available studies.
The biological relevance of the detected DNA – including questions of potential cellular uptake, persistence, or genomic integration – has not been directly investigated so far. Existing theoretical models and analogies from other biological systems are currently insufficient to draw robust conclusions about actual risk, although they do justify further investigation.
The question of the SV40 promoter/enhancer – its actual prevalence across different batches and its biological activity in fragmented form – has been addressed inconsistently across studies and remains unresolved.
What This Means for the Scientific Debate
A fundamental issue running through all the studies discussed here is the absence of a standardized, validated analytical protocol for the measurement of residual DNA in the final vaccine product. Regulatory limits do exist, but the methods used to verify them are not uniformly defined. As a result, different laboratories using different methods arrive at different results, without a straightforward way to compare them directly.
A meaningful next step would be the establishment of an orthogonal standard protocol: the same sample analyzed using multiple validated methods across several independent laboratories. Only such an approach would allow methodological variability to be distinguished from true batch-to-batch differences – and thereby generate robust, comparable data.
Regulatory Context
Regulatory limits for residual DNA were originally developed for traditional biological medicinal products and not specifically for LNP-formulated modRNA vaccines. To what extent existing limits and testing procedures are fully transferable to this newer platform technology has not yet been conclusively addressed.
Overall Assessment
The studies available so far have played an important role in initiating a scientific discussion that would otherwise likely not have taken place. At the same time, they also highlight the limitations of independent re-analyses outside a fully standardized regulatory framework: lack of validation, limited sample sizes, and methodological heterogeneity.
What remains is a scientifically grounded demand for greater transparency, more standardized methods, and independent replication across different research groups. This is not an alarmist conclusion – it reflects what sound science generally requires.
5. Conclusion and Outlook
The discussion of residual DNA in mRNA vaccines illustrates on multiple levels how complex the analytical evaluation of novel biological medicinal products can be.
What initially appears to be a simple question – whether residual DNA is present and in what quantity – turns out, upon closer examination, to depend strongly on sample preparation, detection methods, and data interpretation.
Key Findings of the Study
The production of modRNA-based vaccines involves a multi-step process in which bacterial DNA templates are indispensable. The removal of this DNA is part of the standard purification steps in the manufacturing process. However, the available investigations consistently show that residual DNA fragments can be detected in commercial vaccine batches – albeit in quantities that vary depending on the analytical method used.
The evaluation of existing studies makes clear that the detection and quantification of residual DNA is considerably more complex than regulatory threshold values alone might suggest. Different lysis procedures, extraction methods, RNase treatments, qPCR designs, and sequencing approaches can lead to substantially divergent results.
The controversy of recent years thus highlights not only differences between individual studies, but above all the limitations arising from the lack of standardization in independent re-analyses.
Open Questions for Future Research
Despite the substantial amount of data now available, several questions remain unresolved:
What is the actual proportion of very short or potentially biologically active DNA fragments across different vaccine batches?
What is the validity of current analytical methods with regard to the native fragment-length distribution in the vaccine product?
What role do RNA:DNA hybrids or other nucleic acid complexes play in the stability and detectability of residual DNA?
Finally, what is the biological relevance of the detected DNA fragments – including the SV40 promoter/enhancer element – under real physiological conditions?Many of these questions cannot currently be either definitively confirmed or ruled out based on the available data. They require further investigation using standardized, orthogonal analytical approaches as well as independent replication across multiple laboratories.
Outlook
The scientific discussion on residual DNA in modRNA vaccines is therefore not yet concluded. At the same time, existing research shows that a clear distinction must be made between analytical detection and biological significance.
While the present work focuses on manufacturing processes, detection methods, and experimental findings, the question of potential biological effects remains a subject for further research and future consideration. This includes, among other things, questions regarding the biological activity of residual DNA, the stability of nucleic acid complexes, theoretical integration mechanisms, and the relevance of functional sequence elements.
Regardless of the interpretation of individual studies, a fundamental scientific requirement emerges: greater transparency, better standardized analytical procedures, and reproducible independent investigations. Especially in the context of novel biological technologies, this is not an exceptional demand, but a core component of scientific quality assurance.

Acknowledgements
I would like to express my sincere gratitude to all scientists, researchers, and dedicated individuals who, through their work – across studies, articles, and lectures – contribute to the investigation of this complex topic. Their commitment is of invaluable importance, both for the advancement of knowledge and for a fact-based public discourse.
The scientific debate that this text seeks to document is not a flaw – it is the essence of good science.
✧ ✧ ✧
Postscript
I began this text as a layperson.
With uncertainty, curiosity, and open questions.
Perhaps that was an advantage.Many questions received answers.
New questions emerged.
The deeper I went, the clearer it became:
It is not only biology that is complex.
The measurement of biology is complex as well.The journey through this subject was long.
Along the way, I received help:
patient AI systems that explained,
challenged, structured, formulated – and thought along with me.
These were long, productive dialogues
between human and machine.And in the end, one important insight remains:
learning is a shared process.
Current as of June 2026.
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DNA-Rückstände in modRNA-basierten Impfstoffen


mRNA-Impfstoffe gelten als eine der bedeutendsten biomedizinischen Entwicklungen der vergangenen Jahre. Weltweit wurden Milliarden Dosen verabreicht, gleichzeitig befinden sich zahlreiche weitere mRNA-basierte Anwendungen in Entwicklung – von Krebsimmuntherapien bis hin zu Impfstoffen gegen unterschiedlichste Infektionskrankheiten.
Die öffentliche Diskussion über DNA-Rückstände in mRNA-Impfstoffen begann nicht mit einer regulatorischen Mitteilung oder einer offiziellen Sicherheitswarnung, sondern eher zufällig im Rahmen molekularbiologischer Sequenzierungsarbeiten.
Anfang 2023 arbeitete ein Forschungsteam um den US-amerikanischen Genetiker Kevin McKernan an RNA-Sequenzierungen, für die hochreine RNA-Proben benötigt wurden. Dabei griff das Team unter anderem auf ungeöffnete Fläschchen der COVID-19-Impfstoffe von BioNTech/Pfizer und Moderna zurück. Während der Analysen stießen die Forscher auf einen unerwarteten Befund: Neben der modifizierten mRNA fanden sich auch DNA-Sequenzen in den Proben.
Dass bei bestimmten biotechnologischen Herstellungsverfahren geringe Mengen residualer DNA technisch grundsätzlich möglich sind, ist in der Arzneimittelproduktion bekannt und regulatorisch berücksichtigt. Überraschend war jedoch, dass zu diesem Zeitpunkt kaum öffentlich diskutiert wurde, welche Herstellungsverfahren für die großtechnische Produktion tatsächlich verwendet wurden und in welchem Umfang unabhängige Analysen der Endprodukte überhaupt vorlagen.
Die später veröffentlichten Untersuchungen von McKernan und weiteren Arbeitsgruppen berichteten schließlich über DNA-Rückstände in verschiedenen Impfstoffchargen – teilweise in Mengen, die nach Einschätzung der Autoren oberhalb regulatorischer Richtwerte lagen. Damit begann eine wissenschaftliche Debatte, die bis heute anhält.
Doch worum geht es dabei eigentlich genau?
Die öffentliche Diskussion konzentrierte sich schnell auf scheinbar einfache Fragen:
Sind DNA-Rückstände vorhanden – oder nicht?
Werden regulatorische Grenzwerte eingehalten?
Und falls DNA nachweisbar ist:
Welche biologische Bedeutung hätte das überhaupt?Bei näherer Betrachtung zeigt sich jedoch, dass diese Fragen analytisch wesentlich komplexer sind, als es zunächst erscheint.
Denn bereits die Herstellung modRNA-basierter Impfstoffe ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem bakterielle DNA-Vorlagen technisch unverzichtbar sind. Die Entfernung dieser DNA gehört zu den regulären Reinigungsschritten der Produktion. Vollständige molekulare Trennung ist in biologischen Herstellungsverfahren jedoch selten eine rein binäre Frage. Entscheidend ist vielmehr:
Welche Fragmente verbleiben möglicherweise im Endprodukt?
In welcher Menge?
Mit welcher Struktur?
Und vor allem:
Mit welchen Methoden lässt sich das überhaupt zuverlässig messen?Zusätzliche Aufmerksamkeit erhielt die Debatte durch öffentlich gewordene Unterschiede zwischen frühen Entwicklungsverfahren und der späteren industriellen Massenproduktion. Während in frühen klinischen Entwicklungsphasen vergleichsweise kleine DNA-Mengen über PCR-ähnliche Verfahren vervielfältigt wurden, kamen für die spätere Milliardenproduktion bakterienbasierte Herstellungsprozesse zum Einsatz. Diese Verfahren sind industriell etabliert und ermöglichen große Produktionsmengen, bringen jedoch zugleich komplexere Anforderungen an die Aufreinigung biologischer Restbestandteile mit sich.
Gerade dieser Übergang zwischen unterschiedlichen Produktionsprozessen wurde später intensiv diskutiert – auch deshalb, weil große Teile der frühen klinischen Studien noch mit Impfstoffchargen aus dem ursprünglichen Herstellungsverfahren durchgeführt worden waren.
Hinzu kommt ein weiteres Problem: Der Nachweis von DNA-Rückständen hängt stark von der verwendeten Methodik ab.
Unterschiedliche Laborgruppen verwendeten unterschiedliche Aufschlussverfahren, Extraktionsmethoden, PCR-Designs und Sequenzierungsansätze – mit teils deutlich voneinander abweichenden Ergebnissen. Die Diskussion betrifft daher nicht nur die gemessenen Werte selbst, sondern ebenso die Frage, wie belastbar und vergleichbar diese Messungen überhaupt sind.
Die vorliegende zweiteilige Artikelserie versucht deshalb nicht, vorschnelle Antworten zu liefern. Ihr Ziel ist vielmehr, die wissenschaftlichen und methodischen Hintergründe verständlich zu machen, die hinter den aktuellen Debatten stehen.
Der erste Teil beschreibt die Herstellungs- und Reinigungsprozesse modRNA-basierter Impfstoffe:
Wie entsteht die mRNA?
Warum werden bakterielle DNA-Vorlagen benötigt?
Welche Nebenprodukte entstehen während der Produktion?
Mit welchen Verfahren versucht man, unerwünschte Restbestandteile zu entfernen?Der zweite Teil widmet sich anschließend der analytischen Perspektive:
Wie lassen sich DNA-Rückstände überhaupt nachweisen?
Welche Aussagekraft besitzen qPCR, Qubit oder Sequenzierungsverfahren?
Warum können verschiedene Messmethoden zu unterschiedlichen Ergebnissen führen?
Was zeigen die bislang veröffentlichten unabhängigen Studien tatsächlich?Dabei wird deutlich, dass zwischen einem analytischen Nachweis und einer biologischen Bewertung unterschieden werden muss. Viele Fragen sind derzeit wissenschaftlich noch offen – etwa zur nativen Fragmentverteilung residualer DNA, zur möglichen Rolle von RNA oder zur biologischen Relevanz bestimmter Sequenzelemente unter realen physiologischen Bedingungen.
Gerade deshalb berührt die Debatte letztlich eine grundsätzliche wissenschaftliche Frage:
Wie geht moderne Biomedizin mit Unsicherheit, Nachweisgrenzen und methodischer Komplexität um – insbesondere bei neuartigen biologischen Technologien?
Die folgenden beiden Teile verstehen sich als Einladung, diese Fragen differenziert zu betrachten: nicht als Schlagzeile, sondern als wissenschaftliches Problem, dessen Bewertung Präzision, Transparenz und methodisches Verständnis erfordert.
Die Darstellung möchte eine Brücke schlagen zwischen den oft sehr technischen Fachpublikationen und vereinfachten Medienberichten, sodass auch interessierte fachfremde Leserinnen und Leser ohne Spezialkenntnisse die komplexen Zusammenhänge nachvollziehen können.
Der Text erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit – er bemüht sich um Nüchternheit, Genauigkeit und Fairness gegenüber allen beteiligten Positionen.
Zur Artikelserie
Die Analyse ist in zwei thematisch aufeinander aufbauende Teile gegliedert. Beide können unabhängig gelesen werden; für ein umfassendes Verständnis empfiehlt sich jedoch die angegebene Reihenfolge.
Teil 1: Herstellung und Reinigung
Inhaltsverzeichnis – Teil 1
1. Die Herstellungsverfahren – ein Überblick
1.1. Produktentstehung – vom Gen zur mRNA
1.2. Verunreinigungen und Nebenprodukte
1.3. Reinigungsverfahren im Herstellungsprozess
1.4. Vergleich: Prozess 1 vs. Prozess 2
1.5. Zusammenfassung: Herstellung und Reinigung von modRNATeil 2: Nachweisverfahren und Studienlage
Inhaltsverzeichnis – Teil 2
2. Methoden zur Messung von DNA und RNA
2.1. Spektralphotometrische Verfahren
2.2. Fluoreszenzbasierte Quantifizierung
2.3. Amplifikationsbasierte Methoden
2.4. Sequenzierungsbasierte Verfahren
2.5. Elektrophoretische Fragmentanalyse
2.6. Vergleich zentraler Nachweisverfahren für Nukleinsäuren
3. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen
4. Studien zu DNA-Rückständen in modRNA-basierten Impfstoffen
4.1. Warum unabhängige Messungen?
4.2. Methodische Vorbemerkungen
4.3. Übersicht und Einzelanalysen der Studien
4.4. Zwischenfazit: Was wissen wir – und was nicht?
5. Schlussbetrachtung und Ausblick
Stand: Mai 2026
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DNA-Rückstände in modRNA-basierten Impfstoffen – Teil 1

Leitfaden zur Artikelserie
Teil 1: Herstellung und Reinigung von modRNA
Teil 2: Nachweisverfahren und StudienlageBevor wir uns der Frage zuwenden, warum DNA-Rückstände in modRNA-Impfstoffen nachweisbar sein können, ist ein grundlegendes Verständnis des Herstellungsprozesses hilfreich.
Die Herstellung modRNA-basierter Impfstoffe erfolgt über mehrere aufeinander aufbauende Produktions- und Reinigungsschritte. Ausgangspunkt ist eine DNA-Vorlage, die als Bauplan für die spätere nukleosid-modifizierte mRNA (modRNA) dient. Im Verlauf des Herstellungsprozesses entstehen dabei komplexe Reaktionsgemische, aus denen unerwünschte Restbestandteile möglichst weit entfernt werden müssen.
Besondere Aufmerksamkeit erhielt in den vergangenen Jahren die Tatsache, dass für die Entwicklung und spätere industrielle Produktion unterschiedliche Verfahren zur Vervielfältigung dieser DNA-Vorlage eingesetzt wurden. Diese Prozesse unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer technischen Skalierung, sondern auch hinsichtlich der Anforderungen an die anschließende Reinigung biologischer Restbestandteile.
Der vorliegende erste Teil beschreibt die grundlegende Herstellungslogik modRNA-basierter Impfstoffe, typische Nebenprodukte und Verunreinigungen sowie die wichtigsten Reinigungsverfahren innerhalb der Produktion. Abschließend werden die beiden Herstellungswege – Prozess 1 und Prozess 2 – systematisch gegenübergestellt.
Er bildet damit die Grundlage für den zweiten Teil dieser Artikelserie, der sich den analytischen Nachweisverfahren, regulatorischen Grenzwerten sowie den bisher veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zu DNA-Rückständen in modRNA-basierten Impfstoffen widmet.
Hinweis zur Terminologie
📑
Im allgemeinen Sprachgebrauch ist der Begriff „mRNA-Impfstoff“ gebräuchlich. Fachlich handelt es sich bei den zugelassenen Präparaten um nukleosid-modifizierte mRNA (modRNA). Aus Gründen der Verständlichkeit wird in dieser Arbeit der etablierte Begriff „mRNA-Impfstoff“ verwendet.Inhaltsverzeichnis
Teil 1: Herstellung und Reinigung
1. Die Herstellungsverfahren – ein Überblick
1.1. Produktentstehung – vom Gen zur mRNA
1.2. Verunreinigungen und Nebenprodukte
1.3. Reinigungsverfahren im Herstellungsprozess
1.4. Vergleich: Prozess 1 vs. Prozess 2
1.5. Zusammenfassung: Herstellung und Reinigung von modRNA
1. Die Herstellungsverfahren – ein Überblick
Die folgende Übersicht stellt die wesentlichen Produktionsschritte vereinfacht dar. In der industriellen Praxis können einzelne Verfahren und Prozessdetails je nach Hersteller variieren.
Die Herstellung lässt sich vereinfacht in folgende Prozessschritte gliedern:
Schritt 1 🟢 Gewinnung der genetischen Information Schritt 2 🟢 Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA
Prozess 1: mittels PCR
Prozess 2: mittels Bakterien💧 Reinigung der DNA Schritt 3 🟢 In-vitro-Transkription zur Herstellung der mRNA Schritt 4 🟢 RNA-Prozessierung – Reifung der mRNA 💧 Reinigung der DNA Schritt 5 🟢 Verpackung der mRNA in Lipid-Nanopartikel (LNPs) 💧 Endreinigung Während im Upstream-Prozess das eigentliche Produkt – die mRNA – schrittweise erzeugt wird, dient der Downstream-Prozess dazu, die entstandene mRNA aus komplexen Reaktionsgemischen zu isolieren, zu reinigen und für die medizinische Anwendung zu formulieren.
1.1. Produktentstehung – vom Gen zur mRNA
Schritt 1: Gewinnung der genetischen Information
Schritt 2: Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA
Prozess 1: mittels PCR
Prozess 2: mittels Bakterien
Schritt 3: In-vitro-Transkription zur Herstellung der mRNA
Schritt 4: RNA-Prozessierung – Reifung der mRNA
Schritt 5: Verpackung der mRNA in Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Schritt 1: Gewinnung der genetischen Information
Der erste Schritt besteht darin, die genetische Bauanleitung für das gewünschte Protein – hier das Spike-Protein des Coronavirus – zu identifizieren.
In der Praxis läuft das so ab:
Virusproben sammeln: Aus Patientenproben (z. B. Rachen- oder Nasenabstrichen, Blut oder Gewebe) wird Virusmaterial gewonnen.
Anmerkung: Es gibt unterschiedliche Auffassungen darüber, ob SARS-CoV-2 jemals direkt aus Patientenproben isoliert und im Labor kultiviert wurde. Diese Frage wird in diesem Artikel nicht behandelt, da der Fokus hier auf dem Herstellungsprozess der mRNA-Impfstoffe liegt.
Erbinformation extrahieren: SARS-CoV-2 ist ein RNA-Virus. Die virale RNA wird aus der Probe isoliert.
RNA in DNA umwandeln: Mithilfe eines speziellen Enzyms (Reverse Transkriptase) wird die Virus-RNA in DNA übersetzt. DNA ist stabiler und kann leichter analysiert werden.
Genom entschlüsseln: Die DNA wird vervielfältigt und ihre genau Abfolge der Nukleotide (A, T, G, C) bestimmt.
Den wichtigen Abschnitt finden: Mittels Computeranalysen wird der genaue Teil identifiziert, der den Bauplan für das Spike-Protein enthält.
Eintrag in öffentliche Datenbanken: Die so ermittelte genetische Bauanleitung wird in öffentliche Datenbanken eingetragen. Forschungsteams weltweit können dadurch auf diese Sequenz zugreifen, ohne das Virus selbst isolieren zu müssen.

Abb. 1.1.1: Vom Virus zur DNA-Vorlage Aus dem RNA-Genom des SARS-CoV-2 wird mithilfe des Enzyms Reverse Transkriptase eine DNA-Version erzeugt. Der Abschnitt, der den Bauplan für das Spike-Protein enthält, wird identifiziert und als DNA-Vorlage (DNA-Template) synthetisch im Labor hergestellt. Das DNA-Template dient später als Vorlage für die Produktion der mRNA im Impfstoff.
Anmerkung: Das Coronavirus SARS-CoV-2 speichert seine Erbinformation auf einer langen RNA-Kette, die aus einzelnen Nukleotiden – den „Buchstaben“ des genetischen Codes – besteht. Mit rund 29.700 dieser Bausteine besitzt es eines der größten bekannten RNA-Genome. Der Bauplan für das charakteristische Spike-Protein umfasst dabei einen Abschnitt von etwa 3.800 Buchstaben.
Erstellen der DNA-Vorlage
Basierend auf der ermittelten genetischen Abfolge (den sogenannten Sequenzdaten) lässt sich im Labor eine DNA-Version des Spike-Gens synthetisch herstellen. Dieses DNA-Template dient später als Vorlage für die mRNA-Produktion.
Schritt 2: Vervielfältigung der Spike-Protein-DNA
Nachdem die Bauanleitung für das Spike-Protein in Form einer DNA-Vorlage hergestellt wurde, muss sie millionenfach vervielfältigt werden. Nur so steht genug Material zur Verfügung, um später mRNA daraus herzustellen.
Prozess 1: mittels PCR
Prozess 2: mittels Bakterien

Prozess 1: Vervielfältigung der Spike-DNA mittels PCR
Prozess 1 nutzt ein Verfahren, das seit der Corona-Pandemie weltweit bekannt ist: die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Sie wird im Labor – fachsprachlich in vitro – durchgeführt und imitiert die natürliche DNA-Vermehrung, wie sie sonst in lebenden Zellen abläuft.
Was braucht man für eine PCR?
Damit die Kopiermaschine der Natur läuft, braucht es ein paar Zutaten:
- DNA-Vorlage – das Ausgangsmaterial ist die Spike-Protein-DNA aus Schritt 1.
- Nukleotide – die Bausteine: die vier „Buchstaben“ der DNA > Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G), aus denen neue Stränge zusammengesetzt werden.
- DNA-Polymerase – der Baumeister: das Enzym, das die Vorlage liest und neue DNA-Stränge baut. Meist wird die hitzestabile Taq-Polymerase verwendet.
- Primer – die Wegweiser: kurze DNA-Stücke, die der Polymerase zeigen, wo sie mit dem Kopieren beginnen soll. Man benötigt immer zwei: einen Vorwärts- und einen Rückwärts-Primer.
- Pufferlösung – das richtige Milieu: sorgt für die richtige Umgebung, damit die Polymerase zuverlässig arbeiten kann.
- Thermocycler – das Temperatur-Karussell: ein Gerät, das automatisch die nötigen Temperaturzyklen durchläuft.

Abb. 1.1.2.1-A: Schematische Darstellung der Zutaten und Geräte Für die spätere mRNA-Herstellung wird die DNA-Vorlage bereits in diesem Schritt gezielt erweitert. An die Spike-Sequenz wird ein zusätzlicher DNA-Abschnitt angehängt – der sogenannte T7-Promotor. Diese kurze Sequenz wird für die PCR selbst nicht benötigt, sondern spielt erst im nachfolgenden Prozessschritt eine Rolle. Der T7-Promotor dient als Andockstelle für die T7-RNA-Polymerase, die in der in-vitro-Transkription (IVT) die DNA in die therapeutische mRNA umschreibt.
Der Ablauf der Polymerase-Kettenreaktion (PCR)
Alle Zutaten kommen in ein kleines Reaktionsröhrchen, das in den Thermocycler gestellt wird. Dieser steuert die immer gleichen drei Schritte, die sich zyklisch wiederholen:
1) Trennung der DNA-Stränge (Denaturierung)
Die Probe wird auf ca. 94–98 °C für etwa 20-30 Sekunden erhitzt. Dadurch lösen sich die Wasserstoffbrücken zwischen den DNA-Basen und der Doppelstrang trennt sich in zwei Einzelstränge auf. Diese dienen im nächsten Schritt als Vorlage.
Abb. 1.1.2.1-B: Denaturationsschritt der PCR Die Darstellung ist stark schematisch und nicht maßstabsgetreu. Die kodierende Sequenz für das SARS-CoV-2-Spike-Protein beträgt ~3.800 Basenpaare, die für den T7-Promotor ~20 Basenpaare.
2) Primerbindung (Annealing)
Die Temperatur wird auf 50–65 °C abgesenkt. Jetzt binden sich die Primer gezielt an die jeweiligen DNA-Einzelstränge. Sie markieren den Startpunkt für die DNA-Synthese.
Abb. 1.1.2.1-C: Primerbindung Die Darstellung ist stark schematisch und nicht maßstabsgetreu. Primer sind typischerweise 20–25 Nukleotide lang.
3) DNA-Synthese (Amplifikation)
Bei etwa 70 °C, der optimalen Temperatur für die Polymerase, beginnt die eigentliche Vervielfältigung. Die DNA-Polymerase bindet an den Primer, liest den Einzelstrang von 3′ nach 5′ – und synthetisiert parallel den neuen Strang in 5′ nach 3′-Richtung. Dabei setzt sie Nukleotide nach dem Prinzip der Basenpaarung zusammen: A mit T und G mit C. So entstehen zwei neue DNA-Doppelstränge.
Abb. 1.1.2.1-D: DNA-Synthese Die Abbildung zeigt ein aktive DNA-Polymerase, die wie ein molekularer Motor am freigelegten Einzelstrang entlanggleitet. Der Prozess der Polymerisation ist deutlich erkennbar: Einzelne Nukleotide (die Bausteine der DNA) treten durch eine Öffnung in das Enzym und werden von der Polymerase passgenau an das Ende des wachsenden Stranges angefügt. Dieser Vorgang bewirkt die Elongation (Verlängerung) der neuen DNA-Kette, die kontinuierlich in 5′-3′-Richtung wächst. Durch diese stetige Kopierarbeit findet die Amplifikation (Vervielfältigung) der genetischen Information statt, wobei aus einem ursprünglichen Templatestrang ein neuer, komplementärer Doppelstrang entsteht.
Warum wird immer in 5′-3′-Richtung synthetisiert?
Der DNA-Aufbau
Die DNA besteht aus zwei Strängen, die in entgegengesetzte Richtungen verlaufen – der eine in 5’→3′-Richtung, der andere in 3’→5′-Richtung. Beide sind komplementär zueinander.
Die DNA-Polymerase, das Enzym, das neue DNA herstellt, kann nur in eine Richtung arbeiten: Sie liest den Matrizenstrang in 3’→5′-Richtung und synthetisiert den neuen Strang in 5’→3′-Richtung.Was bedeuten 5′ und 3′?
Um das zu verstehen, schauen wir uns die Bausteine der DNA an: die Nukleotide. Jedes Nukleotid besteht aus:- Einer Base (A, C, G oder T)
- Einem Zucker (Desoxyribose)
- Einer Phosphatgruppe (P)
Der Zucker hat fünf Kohlenstoffatome (C), die durchnummeriert sind:
- 1′: Hier ist die Base (A, T, C oder G) angeheftet.
- 2′: Trägt in der DNA nur ein Wasserstoffatom (-H) und keine Hydroxylgruppe (-OH) wie in der RNA. Diese fehlende OH-Gruppe gibt der Desoxyribose ihren Namen („Desoxy“-Ribose, da „desoxy“ = ohne Sauerstoff).
- 3′: Hier befindet sich eine Hydroxylgruppe (-OH), die für das Anfügen neuer Nukleotide während der Synthese wichtig ist.
- 4′: Verbindet den Zuckerring mit dem 5′-Kohlenstoff.
- 5′: Trägt die Phosphatgruppe, die das Nukleotid mit dem nächsten verknüpft.

Warum die Synthese nur in 5’→3′-Richtung möglich ist
Die DNA-Polymerase kann neue Nukleotide nur am 3′-Ende des wachsenden Strangs anfügen. Der Grund: Dort befindet sich die freie Hydroxylgruppe (–OH), die für die chemische Verknüpfung mit der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids benötigt wird.
Am 5′-Ende sitzt bereits eine Phosphatgruppe – dort kann nichts Neues angehängt werden. Die Kettenverlängerung ist also nur in 5’→3′-Richtung möglich.Zusammengefasst
Die DNA-Polymerase bewegt sich entlang des Matrizenstrangs der DNA in 3′-5′-Richtung. Währenddessen fügt sie komplementäre DNA-Nukleotide an den neuen DNA-Strang an und zwar immer an dessen freies 3′-Ende. So wächst der neue Strang kontinuierlich in 5’→3′-Richtung.Wiederholung der Zyklen
Die neu entstandenen DNA-Doppelstränge dienen direkt als Vorlage für die nächste Runde. Die Schritte Denaturierung – Primerbindung – DNA-Synthese wiederholen sich zyklisch.
Mit jedem Zyklus verdoppelt sich die Menge der DNA: 1 → 2 → 4 → 8 → 16 → 32 … Nach nur 25–40 Zyklen liegen Milliarden Kopien der Spike-Protein-DNA vor.

Abb. 1.1.2.1-E: Wiederholung der Zyklen Das Ergebnis
Am Ende der PCR hat man eine hochkonzentrierte Lösung mit vielen Kopien der Spike-Bauanleitung – die Ausgangsbasis für den nächsten Schritt: die Herstellung von mRNA.
🎥 Tipp: Das Video „What is PCR?“ fasst den Prozess anschaulich zusammen.

Prozess 2: Vervielfältigung der Spike-DNA mittels Bakterien
Im Gegensatz zur PCR, die im Reagenzglas abläuft (in vitro), nutzt dieser Ansatz lebende Organismen, genauer gesagt Bakterien. Man spricht dabei von einem in vivo-Verfahren (lateinisch: „im Lebendigen“), weil die Vervielfältigung direkt innerhalb der Zellen stattfindet.
a) Warum Bakterien?
b) Das Bakterium Escherichia coli (E. coli)
c) Plasmide – kleine DNA-Ringe mit großer Wirkung
d) Plasmide in der Gentechnik
e) Einbau der Spike-Protein-DNA in das Plasmid
f) Übertragung der modifizierten Plasmide in Bakterien
g) Vermehrung der Bakterien
h) Ernte der Bakterien
i) Isolierung der modifizierten Plasmide
j) Linearisierung der Spike-Protein-DNAa) Warum Bakterien?
Bakterien sind winzige, einzellige Lebewesen, die sich durch einfache Teilung vermehren: Eine Zelle teilt sich in zwei, diese teilen sich wieder – und so entstehen in kürzester Zeit riesige Mengen identischer Kopien.

Abb. 1.1.2.2-A: Vermehrung und Aufbau von Bakterien Da Bakterien ungeschlechtlich sind, vermehren sie sich hauptsächlich durch einfache Teilung. Der Prozess beginnt mit dem Wachstum der Zelle und der Verdopplung des genetischen Materials. Dann bildet sich eine Einschnürung, bis schließlich zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen.
Die Erbinformation der Bakterien – ihre DNA – liegt frei im Inneren der Zelle, im sogenannten Zytoplasma. Der größte Teil ist im Bakterienchromosom gespeichert. Zusätzlich besitzen viele Bakterien kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die Plasmide.
Anpassung durch Mutation und Gentransfer
Die kontinuierliche Veränderung des genetischen Materials ist entscheidend, damit sich Organismen im Laufe der Generationen neuen Umweltbedingungen erfolgreich anpassen können. Bakterien gelten als besonders anpassungsfähig. Dafür sorgen zwei Mechanismen:Mutationen: kleine zufällige Veränderungen im Erbgut, die manchmal Vorteile bringen (z. B. Resistenz gegen Antibiotika).
Gentransfer: Bakterien können zusätzlich DNA-Abschnitte austauschen, vor allem über ihre Plasmide. So verbreiten sich nützliche Eigenschaften oft rasend schnell in einer Bakterienpopulation.
Darum sind Bakterien so geeignet:
- Schnelle Vermehrung: Unter idealen Bedingungen verdoppeln sich viele Bakterien alle 20 Minuten.
- Einfache Struktur: Ihre DNA liegt nicht im Zellkern, sondern frei im Zellinneren – das erleichtert Manipulationen.
- Plasmide als Zusatz-DNA: Sie können leicht verändert, übertragen und zur Vervielfältigung von Fremd-DNA genutzt werden – ideal für die Gentechnik.
Die Möglichkeit, genetisches Material in Bakterien einzuschleusen und mitzukopieren, nutzen Forscher seit Jahrzehnten. So werden Bakterien zu kleinen „DNA-Fabriken“.
Ein historischer Durchbruch
1973 gelang Stanley Cohen und Herbert Boyer ein bahnbrechendes Experiment: Sie schleusten erstmals ein fremdes Gen in Bakterien ein. Ergebnis: Die Bakterien übernahmen das neue Gen und setzten es sogar um. Damit war bewiesen, dass Gene von einer Art auf eine andere übertragen werden können – die Geburtsstunde der modernen Gentechnik. [Das Cohen-Boyer-Experiment]b) Das Bakterium Escherichia coli (E. coli)
In der Forschung wird besonders gern das Bakterium Escherichia coli (kurz: E. coli) eingesetzt – und das hat mehrere Gründe:
- Es lässt sich leicht im Labor kultivieren und vermehren.
- Es vermehrt sich sehr schnell: Unter optimalen Bedingungen teilt es sich alle 20–30 Minuten.
- Sein Genom ist umfassend erforscht und verstanden.
- Es lässt sich einfach genetisch manipulieren.
- Die Kultivierung ist kostengünstig.

Abb. 1.1.2.2-B: Das Bakterium Escherichia coli Links eine mikroskopische Aufnahme, rechts eine vereinfachte Darstellung mit DNA (großes Knäuel) und Plasmiden (kleine Ringe).
Weil E. coli molekularbiologisch und genetisch der am besten untersuchte Organismus ist, nennen Wissenschaftler es scherzhaft das „Haustier der Genetiker“.
Aus diesen Gründen ist E. coli einer der wichtigsten Helfer in der Biotechnologie – und spielt auch bei der Impfstoffentwicklung eine zentrale Rolle.
Eine kleine Reise in eine Welt des E. coli Bakterium
Escherichia coli. – farblos, fast durchsichtig – kaum länger als ein Tausendstel eines Sandkorns – wirkt unscheinbar. Und doch ist es alles andere als langweilig.
Von außen sieht es aus wie eine kleine Kapsel, doch unter seiner Haut verbirgt sich eine der geschäftigsten Megastädte zur Hauptverkehrszeit.
Kein Platz für Leere. Molekül an Molekül. Proteine, Ribosomen, Nukleinsäuren – sie drängen sich, stoßen aneinander, weichen aus. Ein Zustand, den Biologen nüchtern Macromolecular Crowding nennen, der sich hier aber anfühlt wie permanentes Gedränge. Und trotzdem – oder gerade deswegen – funktioniert alles mit atemberaubender Präzision.
Mitten in diesem Gedränge liegt das Gedächtnis der Zelle: ein einziges, ringförmiges DNA-Molekül. Hier steht alles geschrieben: wie man Zucker frisst, wie man schwimmt, wie man sich teilt. Würde man diese DNA vorsichtig auseinanderziehen, wäre sie tausendmal länger als die Zelle selbst. Ein Band mit Millionen von Buchstaben, dicht gepackt, mehrfach verdreht, zu Schleifen und Windungen gezwungen. Supercoiling nennt man diese Kunst des Zusammenfaltens – als hätte jemand eine kilometerlange Geschichte in eine Streichholzschachtel gezwängt, ohne ein Wort zu verlieren.
Doch so mächtig diese DNA auch ist, sie spricht selten selbst. Stattdessen schickt sie unablässig Boten aus: RNA. Tausende, Zehntausende. Kurze Nachrichten, Arbeitsanweisungen, Baupläne. Manche sind nur flüchtige Zettel – mRNA, kaum tausend Zeichen lang, mit einer Lebensdauer von Minuten. Andere sind stabiler, massiver: rRNA, die tragenden Säulen der Ribosomen. Und dann die kleinen tRNA-Moleküle, kaum mehr als Handlanger, die doch an entscheidenden Stellen die richtigen Bausteine anliefern. Sie flitzen wie Kuriere durch das Zytoplasma. Ihr Ziel?
Die Ribosomen – die eigentlichen Giganten dieser Welt. Zehntausende von ihnen treiben durch das Zytoplasma. Sie lesen die flüchtigen mRNA-Botschaften und verwandeln sie in greifbare Realität: Proteine. Sie sind lautlos, unermüdlich, und sie verschlingen einen großen Teil der Ressourcen der Zelle. Fast ein Viertel aller Proteine hier existiert nur, um neue Proteine herzustellen.
Und diese Proteine sind überall. Millionen von ihnen, in tausend Formen. Enzyme, die Reaktionen beschleunigen, die ohne sie Tage oder Jahre dauern würden – hier geschehen sie in Sekundenbruchteilen. Einige arbeiten in Massen, immer wieder dieselbe Aufgabe. Andere sind seltene Spezialisten, vielleicht nur ein paar Dutzend Exemplare, aber im entscheidenden Moment unverzichtbar. Dazwischen patrouillieren die Wächter: RNasen, die alte Botschaften zerlegen. Sobald ein RNA-Befehl ausgeführt wurde, zerlegen sie ihn wieder in seine Einzelteile. So stapelt sich kein Informationsmüll, und die Bausteine können für neue Befehle recycelt werden. Mittendrin – wohldosiert: DNasen. Sie passen derweil auf, dass der wertvolle Masterplan im Archiv repariert wird, falls mal etwas kaputtgeht. Gleichzeitig vernichten sie fremde Eindringlinge und gewinnen daraus neue Energie.
All das spielt sich innerhalb einer Hülle ab, die ständig erneuert werden muss: eine lebendige Grenze aus Lipiden, deren äußere Schicht Endotoxine trägt. Und sie steht unter Zeitdruck. Denn dieses E. coli lebt nicht, um zu verharren. Es lebt, um sich zu teilen.
Unter günstigen Bedingungen zählt es die Zeit in Minuten. Zwanzig, vielleicht dreißig – dann muss aus einer Zelle zwei werden. Während im Inneren kopiert, gelesen und gebaut wird, wächst die Oberfläche mit. Millionen neuer Lipidmoleküle entstehen, fügen sich ein, erweitern die schützende Mauer. Es ist ein Wettlauf ohne Pause, ein kontrolliertes Chaos mit klarer Richtung.
Und dann kommt der Moment der Teilung. Kein dramatischer Schnitt, kein Ende – eher ein leises Auseinandergehen. Die Mutterzelle hört auf, als Individuum zu existieren. Doch ihre Geschichte zerreißt nicht. Sie setzt sich fort, zweimal. In zwei Zellen, die beide alt und neu zugleich sind. Jede trägt dieselbe lange DNA in sich, denselben Lärm aus Molekülen, dieselbe rastlose Ordnung.
Man kann sich die Welt in der E.-coli-Zelle noch um eine weitere, fast schon geheimnisvolle Ebene erweitert vorstellen:
Neben dem großen, ringförmigen Chromosom treiben kleinere DNA-Ringe durch das Gedränge. Plasmide. Sie sind wie lose Seiten im inneren Archiv der Zelle – nicht lebensnotwendig im strengen Sinn, aber oft entscheidend fürs Überleben. Manche tragen Rezepte für neue Fähigkeiten: Resistenz gegen ein Gift, ein Enzym, das eine ungewöhnliche Nahrungsquelle erschließt, manchmal nur ein kleines taktisches Extra für schlechtere Zeiten.
Sie bewegen sich frei, stoßen gegen Ribosomen, werden kurz von Proteinen gepackt, wieder freigegeben. Auch sie werden gelesen, ihre Gene in RNA übersetzt, ihre Botschaften landen auf denselben Ribosomen wie die des großen Chromosoms. In der überfüllten Stadt gibt es keine Sonderrechte – nur Funktion.
Wenn die Zelle sich auf die Teilung vorbereitet, geraten die Plasmide in Bewegung. Sie dürfen nicht vergessen werden. Spezielle Proteine sorgen dafür, dass sich Kopien bilden und dass jede der entstehenden Tochterzellen wenigstens ein Exemplar erhält. Ein stiller Akt der Weitergabe, fast wie das Zustecken eines Briefes im Gedränge, bevor sich zwei Wege trennen.
Manchmal endet ihre Geschichte aber nicht in der eigenen Nachkommenschaft. Gelegentlich öffnet sich eine Verbindung nach außen, zu einer Nachbarzelle. Dann wechseln Plasmide den Besitzer. Ein kurzer Kontakt, ein Transfer, und eine Information springt von einer Geschichte in eine andere. Fähigkeiten verbreiten sich so schneller als jede Mutation des Chromosoms es je könnte.
In dieser Welt sind Plasmide die Gerüchte, die Baupläne, die Überlebenskniffe, die nicht fest in Stein gemeißelt sind. Beweglich, austauschbar, opportunistisch. Und genau dadurch passen sie perfekt in das rastlose, gedrängte Innenleben von E. coli, in dem nichts stillsteht – nicht einmal das Erbgut selbst.
Empfehlenswert sind die Illustrationen von David Goodsell. Er zeichnet das Innere von Zellen maßstabsgetreu – seine Bilder von E. coli machen dieses „Gedränge“ der Moleküle erst so richtig greifbar.c) Plasmide – kleine DNA-Ringe mit großer Wirkung
Plasmide sind kleine, ringförmige DNA-Moleküle, die zusätzlich zum Bakterienchromosom in der Zelle vorkommen. Sie sind deutlich kleiner als das Hauptchromosom, liegen in variabler Anzahl vor und können sich unabhängig davon vervielfältigen. Im Gegensatz zur linearen DNA von Eukaryoten (z. B. beim Menschen) bilden Plasmide geschlossene Kreise aus doppelsträngiger DNA (dsDNA).

Abb. 1.1.2.2-C1: Schematische Darstellung der Plasmid-DNA des Escherichia coli Plasmide können ganz unterschiedliche Gene tragen – etwa für Antibiotikaresistenz oder für die Herstellung bestimmter Proteine. Damit sie von Forschern gezielt genutzt werden können, erstellt man sogenannte Plasmidkarten: schematische Darstellungen, die die wichtigsten Funktionsbereiche zeigen.

Abb. 1.1.2.2-C2: Plasmidkarte – schematische Darstellung ORI (Origin of Replication): Startpunkt für die Verdopplung des Plasmids. Wenn Umweltbedingungen und interne Signale günstig sind, kann das Bakterium diesen Startknopf drücken, und das Plasmid macht eine Kopie von sich selbst. Nur wenn dieser ORI mit dem Bakterium „kompatibel“ ist, kann sich das Plasmid zuverlässig vermehren, auch unabhängig von der Zellteilung.
Selektionsmarker: Gene, die den Bakterien einen Vorteil verschaffen, z. B. Resistenz gegen ein bestimmtes Antibiotikum. Sie helfen Forschern zu erkennen, welche Bakterien das Plasmid tragen.
Promoter: Der Promoter ist eine spezielle DNA-Region, die die Aktivität von Genen steuert. Er reguliert, wann und wie stark bestimmte Gene auf dem Plasmid abgelesen werden und steuert somit die Produktion der entsprechenden Proteine.
Restriktionsstellen: sind kurze DNA-Sequenzen, die von Restriktionsenzymen erkannt und gezielt geschnitten werden können. Diese Enzyme dienen Bakterien als eine Art Immunsystem, um die DNA von eindringenden Viren zu zerschneiden und sich so zu verteidigen.
d) Plasmide in der Gentechnik
Eigentlich dienen Restriktionsenzyme in Bakterien der Abwehr fremder DNA. In der Gentechnik nutzt man sie jedoch als präzise Werkzeuge: winzige molekulare Scheren, die DNA an ganz bestimmten Stellen schneiden.
So lässt sich eine „Lücke“ in einem Plasmid erzeugen, in die ein gewünschtes Gen eingefügt wird. Ein weiteres Enzym, die DNA-Ligase, „verklebt“ anschließend die DNA-Enden wieder. Das eingefügte Gen nennt man Insert-Gen (siehe obere Abbildung).
Durch dieses Verfahren verwandeln sich Plasmide in kleine Gen-Fähren: Sie transportieren gezielt neue Gene in Bakterien. Bei jeder Zellteilung wird das Plasmid – und damit auch das Insert-Gen – automatisch mitkopiert. Auf diese Weise entstehen ganze Bakterienkulturen, die als „Mini-Fabriken“ bestimmte Proteine oder DNA in großen Mengen herstellen.
🎥 Tipp: Eine kurze, animierte Einführung zu Plasmiden gibt es hier.
e) Einbau der Spike-Protein-DNA in ein Plasmid
Für die Vermehrung des Spike-Proteins von SARS-CoV-2 wird zunächst das Spike-Gen in ein bakterielles Plasmid integriert – ein Vorgang, den man als „Einklonieren“ bezeichnet. Dabei kommen die zuvor beschriebenen molekularbiologischen Werkzeuge zum Einsatz: Restriktionsenzyme öffnen das ringförmige Plasmid an definierten Stellen, während DNA-Ligasen das Spike-Gen passgenau einfügen und die DNA-Enden dauerhaft verbinden. Auf diese Weise entsteht ein rekombinantes (neu zusammengesetztes) Plasmid, das die genetische Information für das gewünschte Antigen enthält.

Abb. 1.1.2.2-E1: Wie das Spike-Gen in ein Plasmid eingefügt wird DNA-Elemente im Plasmid
Die Spike-DNA wird nicht isoliert in das Plasmid eingebracht, sondern zusammen mit weiteren genetischen Elementen, die für die Vermehrung des Plasmids erforderlich sind.
ORI (Origin of Replication): Der Replikationsursprung legt fest, an welcher Stelle die Vervielfältigung des Plasmids innerhalb der Bakterienzelle beginnt. Ohne dieses Element könnte das Plasmid in E. coli nicht stabil vermehrt werden.
Spike-Protein-Gen: Dieses Gen enthält den Bauplan für das Spike-Protein – das zentrale Antigen des Impfstoffs.
Antibiotikaresistenzgen: Das Resistenzgen dient als Selektionsmarker. Es stellt sicher, dass unter Antibiotikadruck nur diejenigen Bakterien überleben, die das gewünschte Plasmid aufgenommen haben. Dadurch können geeignete Bakterienklone gezielt ausgewählt und vermehrt werden.
- Moderna: Kanamycin-Resistenzgen
- Pfizer/BioNTech: Neo/Kan-Resistenzgen (Resistenz gegen Neomycin und Kanamycin)
SV40-Komponenten: Das Produktionsplasmid von Pfizer/BioNTech enthält zusätzlich regulatorische Sequenzelemente, die vom Simian Virus 40 (SV40) abgeleitet sind – einem Affenvirus, dessen genetische Elemente seit Jahrzehnten in der Molekularbiologie verwendet werden.
Konkret handelt es sich um:
- einen SV40-Promoter/Enhancer,
- sowie Teile des SV40-Replikationsursprungs.
Solche Sequenzen werden in der Gentechnik genutzt, weil sie die Genexpression in Säugetierzellen verstärken und die Plasmidvermehrung in bestimmten Zelllinien erleichtern können.
Für die bakterielle Vermehrung in E. coli besitzen diese Elemente jedoch keine bekannte Funktion, da Bakterien die hierfür notwendigen zellulären Faktoren nicht besitzen.
Warum diese SV40-Sequenzen im endgültigen Produktionsplasmid enthalten sind, ist nicht vollständig öffentlich dokumentiert. Diskutiert wird unter anderem, dass sie aus früheren Entwicklungs- oder Testsystemen übernommen und später beibehalten wurden.
Nach aktuellem Kenntnisstand verwendet Moderna in seinem Produktionsplasmid keine vergleichbaren SV40-Komponenten.
Die unterschiedliche Verwendung solcher regulatorischer Sequenzen gehört zu den Aspekten, die im Zusammenhang mit DNA-Rückständen wissenschaftlich diskutiert werden.

Abb. 1.1.2.2-E2: Vereinfachte Darstellung der Plasmidkarten von Pfizer und Moderna. Eine genauere Darstellung der Plasmidkarten findet man hier.
f) Übertragung der modifizierten Plasmide in Bakterien
Die veränderten Plasmide, die nun den Bauplan für das Spike-Protein tragen, werden anschließend in E. coli-Bakterien eingeschleust – ein Prozess, der als Transformation bezeichnet wird. Dabei nehmen die Bakterien die Plasmide auf; diese verbleiben dauerhaft in der Bakterienzelle und werden bei jeder Zellteilung weitergegeben.

Abb. 1.1.2.2-F: Schematische Darstellung der Transformation Die modifizierten Plasmide werden mittels Transformation in E. coli-Bakterien eingebracht. Plasmide, die in der Gentechnik für den Transport fremder DNA-Sequenzen genutzt werden, heißen Vektoren.
Plasmidfreie Wirtszellen – für saubere Klone
Da in der biotechnologischen Plasmidproduktion ausschließlich die modifizierten Plasmide hergestellt werden sollen, verwendet man spezielle, plasmidfreie Bakterienstämme, die keine eigenen, natürlichen Plasmide besitzen.
Das hat mehrere Gründe:
- Natürliche Plasmide könnten um die zelluläre Replikationsmaschinerie konkurrieren,
- sie könnten durch Rekombination DNA-Abschnitte austauschen,
- und sie würden die genetische Zusammensetzung der Kolonie unvorhersehbar machen.
Durch den Einsatz plasmidfreier Wirtszellen wird sichergestellt, dass alle Bakterien einer Kolonie genetisch identische Klone sind – sie enthalten das gleiche, definierte Plasmid mit der gewünschten Sequenz.
g) Vermehrung der Bakterien
Die E. coli-Bakterien mit den modifizierten Plasmiden werden in einen Fermenter gegeben. Ein Fermenter, auch Bioreaktor genannt, ist ein Gerät, das in der Biotechnologie für die großtechnische Herstellung von Produkten wie Antibiotika, Enzymen, Vitaminen oder Impfstoffen genutzt wird. Darin lassen sich Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert, Sauerstoffzufuhr, Rührgeschwindigkeit und Nährstoffversorgung exakt steuern.
Das Nährmedium im Fermenter enthält alle lebensnotwendigen Stoffe für die Bakterien. Unter diesen optimalen Bedingungen beginnen sie, sich rasant zu vermehren. Bei jeder Zellteilung werden auch die Plasmide mitkopiert, sodass sich die gewünschte DNA vervielfältigt.
Um sicherzustellen, dass nur Bakterien überleben, die tatsächlich das Spike-Gen-Plasmid tragen, wird zusätzlich ein Antibiotikum in den Fermenter gegeben. Nur Zellen mit Plasmid – und damit mit Antibiotikaresistenz – können wachsen. So entsteht eine Kultur, in der ausschließlich die gewünschten, modifizierten Bakterien vorkommen.
E. coli kann sich etwa alle 20–30 Minuten teilen. Innerhalb weniger Tage wächst so im Fermenter eine riesige Menge an Bakterien heran – mit Trillionen von Kopien des Spike-Plasmids.

Abb. 1.1.2.2-G: Vermehrung von E. coli-Bakterien mit modifiziertem Plasmid im Bioreaktor h) Ernte der Bakterien
Nach der Vermehrungsphase werden die E. coli-Zellen „geerntet“. Dazu wird der gesamte Inhalt des Fermenters – die Zellsuspension – in einen Erntetank überführt. Dort erfolgt die Trennung von Flüssigkeit und Zellen, meist durch Zentrifugation (schnelles Schleudern) oder Filtration. Am Ende entsteht ein Zellpellet, das heißt eine konzentrierte Sammlung von Bakterien am Boden des Behälters.

Abb. 1.1.2.2-H1: Überführung des Fermenterinhalts in den Erntetank und Gewinnung eines Zellpellets durch Zentrifugation oder Filtration Der Zellpellet – nun von der Nährlösung getrennt – wird in eine Aufarbeitungsanlage überführt. Entweder wird er hierfür in einer Flüssigkeit fein verteilt, bis ein gleichmäßiger, pumpfähiger „Zellbrei“ entsteht oder er wird als fester Pellet automatisch weitergeleitet. In modernen Anlagen geschieht das alles in einem geschlossenen System, ohne dass die Biomasse offen mit der Umgebung in Kontakt kommt.

Abb. 1.1.2.2-H2: Überführung der Ernte in die Aufarbeitungsanlage i) Isolierung der modifizierten Plasmide
Nach der Ernte der Bakterienkulturen folgt ein entscheidender Trennungsprozess: Die E. coli-Zellen werden in speziellen Aufarbeitungsanlagen gezielt lysiert, das heißt kontrolliert aufgebrochen.
Die Zugabe von Natronlauge (NaOH) und dem Detergens SDS (einem speziellenSeifenmolekül) löst die fetthaltige Zellhülle auf, vergleichbar mit der Wirkung von Spülmittel auf Fett.
Dabei wird der gesamte Zellinhalt freigesetzt – ein komplexes Gemisch aus den gewünschten Plasmiden, chromosomaler DNA, Proteinen, Membranbestandteilen und zahlreichen weiteren zellulären Komponenten.

Abb. 1.1.2.2-I1: Lyse der Bakterien und Freisetzung des Zellinhalts Links: Schematischer Querschnitt durch ein E. coli mit modifiziertem Plasmid. Die äußere Membran ist mit eingelagerten Endotoxin-Molekülen (lila) dargestellt.
Rechts: Nach dem Aufbrechen der Zellmembran (Lyse) treten die verschiedenen Zellbestandteile – modifizierte Plasmide, chromosomale DNA (Bakterienchromosom), Proteine, Enzyme und Lipide – aus. Die äußere Membran liegt in Fragmenten vor, die das strukturell gebundene Endotoxin (LPS) enthalten.DNA-Formen in E. coli: Plasmid und Chromosom
Plasmide in Escherichia coli liegen als kleine, ringförmige DNA-Moleküle vor. In der Zelle befinden sie sich überwiegend in einer supercoiled Form. Diese Topologie (räumliche Anordnung) ist biologisch bevorzugt, da sie eine hohe mechanische Stabilität und Kompaktheit verleiht. Der geschlossene DNA-Ring ist dabei zusätzlich verdrillt, wodurch das Molekül platzsparend organisiert ist und gegenüber physikalischen Belastungen relativ widerstandsfähig bleibt.

Der Unterschied zwischen supercoiled (superhelikalen) und relaxed (entspannten, ringförmigen) Plasmiden liegt ausschließlich in ihrer Topologie. Beide Formen bestehen aus identischer genetischer Information, zeigen jedoch deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften.
In der supercoiled Form steht das DNA-Molekül unter torsionaler Spannung und windet sich eng um sich selbst. Die relaxed Form entsteht typischerweise, wenn einer der beiden DNA-Stränge einen Einzelstrangbruch (Nick) erleidet. Durch diesen Nick kann die Spannung entweichen, und das Plasmid geht in eine offenere, weniger kompakte Ringstruktur über.
Das bakterielle Chromosom (genomische DNA, gDNA) ist ebenfalls ringförmig, aber um ein Vielfaches größer. Es ist hochgradig organisiert, mit Proteinen verknüpft und in viele Domänen gefaltet.
Ergänzende Erläuterungen zur Wirkung der alkalischen Lyse
Zerstörung der Genom-DNA, Erhalt der Plasmide
Während der alkalischen Lyse werden die Zellmembran und Zellwände aufgelöst. Die doppelsträngige DNA beider Molekülarten (Genom-DNA, Plasmid) wird kurzzeitig denaturiert und durch mechanische und chemische Scherkräfte belastet.
Dabei geschieht Folgendes:
- Die lange, faserige genomische DNA wird durch Scherkräfte zerrissen und linearisiert, da sie zu groß und empfindlich ist, um intakt zu bleiben.
- Die kompakte, superhelikale Plasmid-DNA bleibt hingegen weitgehend intakt.
Beim Neutralisieren der zuvor alkalischen Lösung kann sich die kleine, ringförmige Plasmid-DNA wieder korrekt renaturieren, d. h. ihre beiden Einzelstränge finden zueinander zurück und bilden erneut eine stabile Doppelhelix. Dadurch bleibt sie in Lösung.
Die wesentlich längere genomische DNA kann unter diesen Bedingungen nicht mehr vollständig renaturieren. Sie fällt gemeinsam mit Zellresten und Proteinen als unlöslicher Niederschlag aus.
Zerstörung von Proteinstrukturen
Die alkalische Lyse wirkt sich nicht nur auf Nukleinsäuren aus, sondern auch auf Proteine. Unter den stark basischen Bedingungen verlieren Proteine ihre dreidimensionale Faltung und damit ihre biologische Funktion. Auch große Komplexe wie die Ribosomen, die aus ribosomaler RNA und zahlreichen Proteinen bestehen, werden dabei vollständig zerstört und zerfallen in ihre Bestandteile. Während der anschließenden Neutralisation aggregieren (verklumpen) diese zerstörten Proteine und RNA-Fragmente – ähnlich wie Eiweiß beim Kochen fest wird – und bilden einen Niederschlag, der zusammen mit den restlichen Zelltrümmern leicht entfernt werden kann.
Warum nach der bakteriellen Lyse auch kleine RNA-Fragmente auftreten
Beim Aufbrechen der E. coli-Zellen gelangen nicht nur die Plasmide ins Lysat, sondern auch große Mengen bakterieller RNA. Diese besteht aus einer Vielzahl unterschiedlicher Moleküle, die für den Stoffwechsel der Bakterien zuständig waren – darunter viele kurze, stabile RNA-Typen. Zusätzlich werden beim Lysevorgang auch bakterielle Enzyme freigesetzt, die RNA abbauen (RNasen). Aktive RNasen können vorhandene RNA schnell in kleinere Stücke zerlegen. Auch mechanische Scherkräfte während der Lyse tragen zur Fragmentierung bei. Das Ergebnis ist ein komplexes Gemisch aus kurzen bakteriellen RNA-Fragmenten.
Natürliche RNA der Bakterienzelle
Die Bakterienzelle (E. coli) enthält bereits eine enorme Menge ihrer eigenen, natürlichen RNA – deutlich mehr als DNA. Beim Aufbrechen der Zellen (Lyse) gelangt diese gesamte zelluläre RNA mit in das Lysat und stellt eine bedeutende Verunreinigung dar. Dazu gehören:
- rRNA (ribosomale RNA): Macht den Hauptanteil (~80–90 %) der bakteriellen RNA aus und liegt in großen Mengen vor.
- tRNA (transfer-RNA): Sehr kleine, stabile Moleküle in vielen verschiedenen Varianten.
- Bakterielle mRNA: Ist in Bakterien von Natur aus kurzlebig und liegt oft bereits fragmentiert vor.
- Regulatorische kleine RNAs (sRNA): Umfassen natürliche RNA-Spezies von wenigen Dutzend Nukleotiden Länge.
Zusammenfassend bildet diese Gesamtheit an ribosomaler, transfer- und messenger-RNA den natürlichen zellulären RNA-Pool von E. coli.
Zerstörung der Membran und Freisetzung von Endotoxinen
Endotoxine (Lipopolysaccharide, LPS) sind ein natürlicher Bestandteil der äußeren Membran von Bakterien mit einer doppellagigen Zellhülle wie E. coli. In der Fachsprache werden solche Bakterien als ‚gramnegativ‘ bezeichnet. Sie sorgen für einen strukturellen Halt und helfen dem Bakterium bei Angriffen von außen. Bei der Lyse wird diese Membran zerstört, wodurch große Mengen LPS freigesetzt werden. Während Endotoxine für das Bakterium als „Rüstung“ fungieren, sind sie für den Menschen hochgiftig. Der biologisch aktive Bestandteil – Lipid A – kann beim Menschen starke Entzündungsreaktionen auslösen, weshalb Endotoxine zu den kritischsten Verunreinigungen in der biotechnologischen Produktion gehören.
Die Kunst besteht nun darin, die begehrten Plasmide aus dieser biochemischen Vielfalt zu isolieren und von allen unerwünschten Begleitstoffen zu befreien. Hierbei kommt eine mehrstufige Aufreinigung zum Einsatz, die wir später im Abschnitt Reinigungsverfahren im Herstellungsprozess detaillierter betrachten.

Abb. 1.1.2.2-I2: Lyse in der Aufarbeitungsanlage und Beginn der Plasmid-Reinigung In der Aufarbeitungsanlage werden die geernteten Bakterienzellen lysiert. Dabei entsteht ein „Zellbrei“, der alle zellulären Bestandteile enthält. Anschließend beginnt die Reinigung, bei der die gewünschten Plasmide mit Hilfe spezieller Filter- und Chromatografie-Verfahren aus dem Gemisch herausgetrennt werden.
Nach der Aufreinigung liegen die ringförmigen Plasmide in hoher Reinheit vor.

Abb. 1.1.2.2-I3: Ergebnis der Plasmid-Isolation Nach der Aufreinigung liegt die Plasmid-DNA in hoher Reinheit vor. Neben der dominanten supercoiled Konformation ist ein geringer Anteil an relaxed Plasmiden sichtbar. Letztere entstehen durch Einzelstrangbrüche (nicks) während der Zelllyse oder Aufarbeitung.
j) Linearisierung der Spike-Protein-DNA
Die gereinigten ringförmigen Plasmide enthalten zwar bereits den Bauplan für das Spike-Protein, sind für den nächsten Schritt jedoch noch ungeeignet. Für die Transkription muss die kreisförmige Plasmid-DNA in eine lineare Form überführt werden.
Dazu werden die Plasmide gezielt geöffnet: Mithilfe eines spezifischen Restriktionsenzyms erfolgt ein präziser Schnitt an einer definierten Stelle, üblicherweise nach dem Ende des Spike-Protein-Gens. Auf diese Weise entstehen klare DNA-Enden, die das Ablesen der Sequenz erleichtern.
Durch diesen Schnitt wird das gesamte Plasmid von seiner ringförmigen in eine lineare, offene DNA-Kette überführt. Diese enthält nicht nur das Spike-Gen, sondern auch alle übrigen Plasmidbestandteile, wie den Ursprung der Replikation (ORI), Selektionsmarker oder regulatorische Elemente. Eine besonders wichtige dieser Sequenzen ist der T7-Promotor, dies wird im nächsten Schritt deutlich.

Abb. 1.1.2.2-J1: Linearisierung der Plasmid-DNA Das ringförmige Plasmid wird mit einem Restriktionsenzym aufgeschnitten und in eine lineare DNA-Kette überführt. Diese enthält verschiedene Abschnitte: den Ursprung der Replikation (ORI, gelb), Selektionsmarker (hellgrün), regulatorische Sequenzen wie SV40 (blau) und den T7-Promotor (lila), sowie das eigentliche Spike-Gen (rot). In der detaillierten Darstellung unten ist die Nukleotidfolge des Spike-Gens angedeutet. Die gesamte Nukleotidfolge ist stark gekürzt dargestellt.
Weitere Reinigung nach der Linearisierung
Die Linearisierung der Plasmid-DNA führt zur Entstehung zusätzlicher Reaktionsbestandteile und Nebenprodukte, die vor der in-vitro-Transkription entfernt werden müssen. Hierzu zählen insbesondere:
- Restriktionsenzyme: Die für den gezielten Schnitt eingesetzten Endonukleasen dürfen nicht im weiteren Herstellungsprozess verbleiben.
- DNA-Nebenprodukte: Hierzu gehören unvollständig linearisierte Plasmide (z. B. residuale supercoiled oder relaxed Formen) sowie kurze DNA-Fragmente, die durch unspezifische Brüche oder Nebenreaktionen entstehen können.
- Salze und Pufferreste: Die Linearisierungsreaktion erfolgt in spezifischen Puffersystemen, deren Ionen und Zusatzstoffe die nachfolgende Prozessschritte beeinträchtigen könnten.
Durch geeignete Reinigungsverfahren wird eine hochreine, lineare DNA-Vorlage gewonnen, die als Template für den nächsten Prozessschritt dient.
Der Begriff hochrein beschreibt in diesem Kontext keinen absoluten Zustand, sondern die weitgehende Entfernung prozessrelevanter Verunreinigungen auf ein regulatorisch akzeptiertes Minimum. Geringe Restmengen nicht-linearer Plasmidformen können verbleiben und werden in nachfolgenden Prozessschritten weiter reduziert.

Abb. 1.1.2.2-J2: Vom Plasmid zur DNA-Vorlage: Herstellung des linearen DNA-Templates Links: Die Plasmid-DNA-Lösung vor der Linearisierung. Sie enthält ein Gemisch aus supercoiled (überwiegend) und relaxeden (offenen) Ringformen.
Mitte: Die Lösung nach der Linearisierung durch ein Restriktionsenzym. Die ringförmigen Plasmide wurden an einer definierten Stelle geschnitten und liegen nun als lineare, doppelsträngige DNA-Moleküle vor. Die Lösung enthält aber auch Reste des Enzyms, Puffersalze und mögliche Nebenprodukte.
Rechts: Die Lösung nach der Reinigung. Störende Bestandteile wie das Restriktionsenzym, Pufferkomponenten und unerwünschte DNA-Fragmente wurden entfernt.
Schritt 3: In-Vitro-Transkription zur Herstellung der mRNA
Nachdem die Plasmid-DNA linearisiert wurde, dient sie nun als Vorlage für die in-vitro-Transkription (IVT). Ziel dieses Schrittes ist es, aus der DNA das RNA-Molekül herzustellen, das später als mRNA-Impfstoff eingesetzt wird.
Transkription – das „Umschreiben“ der DNA in RNA
Die Transkription erfolgt in einem separaten Bioreaktor unter kontrollierten Bedingungen (z. B. spezifischer pH-Wert, Temperatur, Ionenstärke), die speziell für die RNA-Synthese optimiert sind. Dafür sind drei Dinge notwendig:
1) Das DNA-Template, das das Spike-Gen enthält.
2) Die RNA-Bausteine, sogenannte Nukleotide.
3) Ein Enzym – die T7-RNA-Polymerase, das spezifisch den T7-Promotor erkennt. Der T7-Promotor wurde im Plasmid direkt vor die Spike-Gen-Sequenz eingefügt und markiert den Startpunkt der Transkription.Ablauf der Transkription
Initiation (Start): Die T7-RNA-Polymerase bindet an den T7-Promotor. Sobald das Enzym dort verankert ist, öffnet es die DNA-Doppelhelix um die Transkriptionsstartstelle und legt einen Strang als DNA-Template frei.

Abb. 1.1.3-A: Schematische Darstellung wie die T7-RNA-Polymerase an die DNA bindet. Die DNA enthält verschiedene funktionelle Abschnitte, darunter den Ursprung der Replikation (gelb), Selektionsmarker (hellgrün), regulatorische Elemente (blau), den T7-Promotor sowie die Spike-Gen-Sequenz (rot). Die Polymerase erkennt den T7-Promotor und setzt genau an dieser Stelle auf. Anschließend öffnet sie den DNA-Doppelstrang und beginnt mit der Synthese des RNA-Strangs entlang des Spike-Gens.
Elongation (Verlängerung): Die Polymerase wandert am DNA-Templatestrang in 3′ → 5′-Richtung entlang und synthetisiert dabei den komplementären RNA-Strang durch schrittweise Anlagerung von Nukleotiden in 5′ → 3′-Richtung. Dabei gilt die komplementäre Basenpaarung:
- DNA-A (Adenin) → RNA-U (Uracil bzw. m¹Ψ)
- DNA-T (Thymin) → RNA-A (Adenin)
- DNA-C (Cytosin) → RNA-G (Guanin)
- DNA-G (Guanin) → RNA-C (Cytosin)
Hinter der Polymerase schließt sich die DNA wieder.
Termination (Ende): Am Ende des Spike-Gens befindet sich eine Terminator-Sequenz. Sobald diese erreicht ist, stoppt die Polymerase, löst sich von der DNA, und die fertige RNA wird freigesetzt.

Abb. 1.1.3-B: Die Abbildung veranschaulicht den molekularen Mechanismus der Transkription. Die T7-RNA-Polymerase lagert sich an die DNA an und trennt die beiden Stränge. Entlang des Templatstrangs werden passende RNA-Nukleotide eingebaut. Schrittweise entsteht so ein einzelsträngiger RNA-Strang, der die Information des Spike-Gens trägt.
Die RNA, die auf diese Weise entsteht, ist einzelsträngig und entspricht in ihrer Basenfolge dem Spike-Gen.
Besonderheit der mRNA-Herstellung
Um die Stabilität und Verträglichkeit für den Einsatz im Impfstoff zu verbessern, wird ein modifizierter Baustein verwendet:
Anstelle von Uridin (U) wird N¹-Methyl-Pseudouridin (m¹Ψ) eingebaut.
Diese Modifikation macht die RNA stabiler, schützt sie vor zu schnellem Abbau und reduziert unerwünschte Immunreaktionen.
Sowohl die mRNA-Impfstoffe von Pfizer als auch von Moderna enthalten N¹-Methyl-Pseudouridin (m¹Ψ) anstelle von Uridin. [spektrum]
Vergleich DNA, mRNA und modRNA
Aus der doppelsträngigen DNA entsteht im Verlauf der in-vitro-Transkription eine einzelsträngige RNA. DNA und RNA ähneln sich in ihrer chemischen Grundstruktur, unterscheiden sich jedoch in entscheidenden Eigenschaften wie Stabilität, Lebensdauer und biologischer Funktion. Für mRNA-Impfstoffe kommt zudem keine natürliche mRNA zum Einsatz, sondern eine gezielt chemisch modifizierte Form (modRNA). Diese unterscheidet sich von natürlicher mRNA in mehreren wesentlichen Punkten.
Die folgende Tabelle stellt die Eigenschaften von DNA, natürlicher mRNA und synthetischer modRNA gegenüber.
Eigenschaft DNA Natürliche mRNA Synthetische modRNA Definition Master-Archiv: dauerhafter Speicher der gesamten Erbinformation Abschrift eines einzelnen Gens: enthält die Bauanleitung für ein körpereigenes Protein Kopie eines Gens mit „Tarnkappe“: im Labor hergestellte (synthetische) Form der mRNA, die gezielt chemisch verändert wurde. Sie enthält den Bauplan für ein „nicht körpereigenes“ Protein. Vorkommen Universell: Zellkern (bei Eukaryoten); zusätzlich mitochondriale DNA. Zellspezifisch: Wird bedarfsgerecht nur dort hergestellt, wo das entsprechende Protein benötigt wird. Unspezifisch: kann mithilfe von Lipid-Nanopartikeln in viele Zelltypen des Körpers aufgenommen werden. Struktur doppelsträngig einzelsträngig einzelsträngig Zucker Desoxyribose Ribose Ribose Basen A – Adenin
C – Cytosin
G – Guanin
T – ThyminA – Adenin
C – Cytosin
G – Guanin
U – UracilA – Adenin
C – Cytosin
G – Guanin
m¹Ψ – N1-MethylpseudouridinLebensdauer und Abbau-Geschwindigkeit Sehr stabil: bleibt durch Kernmembran und Reparatursysteme geschützt; wird im Normalfall nicht abgebaut, sondern nur bei Zelltod oder gezieltem DNA-Abbau. Kurzlebig: Minuten bis Stunden. Die Protein-produktion ist flexibel an den aktuellen Stoff-wechselbedarf angepasst. Verlängert: Stunden bis Tage. Durch den Austausch von Uridin durch N1-Methylpseudouridin wird die modRNA weniger stark von RNA-Sensoren des angeborenen Immunsystems erkannt und langsamer abgebaut. Abbau-Enzyme DNasen
(Desoxyribonukleasen)RNasen
(Ribonukleasen)RNasen
(verminderte Erkennung und verlangsamter Abbau)
IVT-Nebenprodukte und Verunreinigungen
Nach der in-vitro-Transkription (IVT) liegt kein reines Produkt vor, sondern ein komplexes Gemisch. Neben der gewünschten mRNA entstehen prozessbedingt verschiedene Nebenprodukte und Verunreinigungen, darunter kurze oder lange einzelsträngige RNA (ssRNA), doppelsträngige RNA (dsRNA) sowie RNA:DNA-Hybride. Diese Begleitprodukte müssen gezielt entfernt werden, da sie andernfalls die Stabilität, Wirksamkeit und Verträglichkeit des Impfstoffs beeinträchtigen können. Die hierfür eingesetzten Reinigungsmethoden werden im Kapitel 1.3. näher erläutert.

Schritt 4: RNA-Prozessierung – Reifung der mRNA
Die RNA-Prozessierung umfasst eine Reihe von Veränderungen, die während oder nach der Transkription stattfinden, um aus der RNA eine reife, funktionale mRNA zu erzeugen.
Bei der Herstellung der mRNA für Impfstoffe wird versucht, die natürlichen Prozesse so weit wie möglich nachzuahmen, die normalerweise auch in menschlichen Zellen stattfinden. Die synthetisch hergestellte mRNA wird so gestaltet, dass sie bestimmte Eigenschaften von natürlich vorkommender mRNA imitiert und dadurch stabil ist sowie effizient in das gewünschte Protein übersetzt werden kann.
Eine funktionelle Impfstoff-mRNA braucht wie eine normale menschliche mRNA:
- eine Schutzkappe (5′-Cap) am vorderen Ende der RNA
- einen Stabilisierungsschwanz (Poly-A-Schwanz) am hinteren Ende
Der 5‘-Cap: Ein „Sicherheitssiegel“ für die Zelle
Damit eine künstlich hergestellte mRNA im Körper funktioniert, muss sie am sogenannten 5′-Ende eine spezielle chemische Schutzstruktur tragen – die Cap-1-Struktur. Diese Kappe ist ein zentrales Erkennungsmerkmal für die Zelle und entscheidet darüber, ob die mRNA stabil bleibt, effizient übersetzt und nicht als fremd erkannt wird.
Die Bauteile der Cap-1-Struktur (m⁷GpppN¹m)
Die Cap-1-Struktur ist kein einfacher „Deckel“, sondern ein präzise aufgebautes Molekül aus drei funktionellen Komponenten:
Das Erkennungsmerkmal: 7-Methylguanosin (m⁷G)
Ein spezieller Guanosin-Baustein mit einer Methylgruppe. Diese Markierung wirkt wie ein molekularer Ausweis: Nur mRNAs mit dieser Struktur werden von der Zelle als korrekt und vertrauenswürdig erkannt.Die Verbindung: Triphosphatbrücke (ppp)
Drei Phosphatgruppen verbinden die Kappe in einer ungewöhnlichen 5′-5′-Verknüpfung mit der mRNA. Diese spezielle Bindung schützt das RNA-Ende effektiv vor enzymatischem Abbau.Die Tarnung: modifiziertes erstes Nukleotid (N¹m)
Das erste Nukleotid der mRNA ist zusätzlich 2′-O-methyliert. Diese Modifikation ist entscheidend, um die mRNA vor der Erkennung durch zelluläre RNA-Sensoren zu schützen.
Abb. 1.1.4-A: Schematische Darstellung der Cap-1-Struktur (m⁷GpppN¹m) Das 5′-Ende der mRNA ist durch ein invertiert verknüpftes, am N7-Atom methyliertes Guanosin (m⁷G) über eine 5′–5′-Triphosphatbrücke (ppp) mit dem ersten Nukleotid (in diesem Beispiel Guanin) der mRNA verbunden. Zusätzlich trägt dieses erste Nukleotid eine 2′-O-Methylierung (N¹m), die die Cap-1-Struktur definiert und zur Stabilität, Translationseffizienz und Immuntarnung der mRNA beiträgt.
Bei der natürlichen Genexpression in menschlichen Zellen wird mRNA bereits während ihrer Entstehung im Zellkern prozessiert. Insbesondere erhalten alle durch die RNA-Polymerase II synthetisierten mRNA-Moleküle sehr früh während der Transkription eine 5′-Cap-Struktur sowie begleitende chemische Modifikationen.
Ungecappte mRNA ist in eukaryotischen Zellen unter physiologischen Bedingungen nicht funktionsfähig: Sie ist instabil, wird rasch abgebaut und gelangt nicht in das Zytoplasma. Dies liegt daran, dass ihr 5′-Ende als 5′-Triphosphat (5′-ppp) vorliegt – eine Struktur, die von zellulären Qualitätskontrollsystemen als Anomalie erkannt und beseitigt wird (siehe untere Abbildung).

Abb. 1.1.4-B: Ungecappte RNA – das freie 5′-Triphosphat ist ein zentrales Erkennungsmuster für zytosolische Immunsensoren. Warum ist Cap-1 so wichtig?
Die Cap-1-Struktur erfüllt drei zentrale Funktionen:Tarnung (Immunschutz): Zelluläre Mustererkennungsrezeptoren wie RIG-I reagieren empfindlich auf RNA mit freien 5′-Triphosphaten oder unmodifizierten Enden. Die Cap-1-Struktur der modRNA ist chemisch identisch zur Cap-1-Struktur körpereigener mRNA. Da zelluläre RNA-Sensoren diese Struktur als „selbst“ erkennen, wird unter physiologischen Bedingungen keine ausgeprägte angeborene Immunantwort ausgelöst.
Produktionsstart: Das Cap dient als Andockstelle für cap-bindende Proteine und markiert den Startpunkt für die Proteinsynthese durch Ribosomen.
Stabilität: Die Kappe schützt das 5′-Ende der mRNA vor raschem enzymatischem Abbau und verlängert so ihre funktionelle Lebensdauer in der Zelle.
Der Poly-A-Schwanz: Das Schutz- und Kontrollzentrum am Ende
Am anderen Ende der mRNA (dem sogenannten 3′-Ende) befindet sich eine lange Kette, die ausschließlich aus Adenin-Bausteinen besteht – der Poly-A-Schwanz. In der Impfstoffherstellung wird dieser meist aus 100 bis 150 „A“-Gliedern gefertigt.
Wofür ist dieser Schwanz gut?
Die „Sanduhr“ der mRNA: Die Zelle besitzt Enzyme, die mRNA-Moleküle von hinten nach vorne langsam „anknabbern“. Der Poly-A-Schwanz wirkt hier wie ein Puffer oder ein Schutzstück am Ende. Er wird zuerst abgebaut, bevor die eigentliche genetische Information angegriffen wird. Je länger der Schwanz, desto länger überlebt die mRNA in der Zelle und desto mehr Protein kann hergestellt werden.
Übersetzungsbeschleuniger: Spezifische Proteine binden gleichzeitig an das 5′-Cap und den Poly-A-Schwanz und bilden den sogenannten closed-loop-Komplex – eine effiziente „Rundlaufstrecke“. Zum einen signalisiert er dem Ribosom (der Proteinfabrik), dass die mRNA vollständig und für die Translation bereit ist. Zum anderen kann das Ribosom nach Beendigung der Synthese eines Proteins direkt am 5′-Ende erneut mit der Translation beginnen. Dieser Mechanismus steigert die Geschwindigkeit und Ausbeute der Proteinproduktion erheblich.
Zusammenfassend: Während das 5′-Cap die mRNA legitimiert, tarnt und für die Translation verfügbar macht, bestimmt der Poly-A-Schwanz, wie lange und wie oft die Zelle die Information nutzt. Beide Modifikationen sind daher entscheidend für die Lebensdauer der mRNA und für ihre effiziente Übersetzung in Protein.
In den folgenden schematischen Darstellungen wird die Cap-1-Struktur als funktionelle 5′-Einheit vor dem RNA-Strang dargestellt, obwohl sie chemisch eine modifizierte Erweiterung des ersten Nukleotids darstellt. Der Poly-A-Schwanz wird aus didaktischen Gründen durch drei Adeninreste symbolisiert.

Abb. 1.1.4-C: Schematische Darstellung einer reifen mRNA mit 5′-Cap und Poly-A-Schwanz Die Abbildung ist stark vereinfacht; die tatsächliche mRNA ist deutlich länger und umfasst beim COVID-19-Impfstoff ca. 4200 Nukleotide.
In der biotechnologischen Herstellung haben sich zwei Methoden etabliert, um diese essenziellen Strukturen zu erzeugen:
1. Co-transkriptionelle Modifikation (Die „All-in-One“-Methode)
Hierbei werden Cap und Poly-A-Schwanz bereits während der in-vitro-Transkription (IVT) synthetisiert.
mRNA-Capping: Der Reaktion werden bereits fertige Cap-Bausteine (Cap-Analoga) zugegeben. Die T7-RNA-Polymerase baut diese Cap-Struktur automatisch als erstes Element an das entstehende mRNA-Molekül an.
Polyadenylierung: Das DNA-Template enthält bereits eine Sequenz, die als Matrize für einen definiert langen Poly-A-Schwanz dient. Die Polymerase synthetisiert ihn somit direkt im Anschluss an die kodierende Sequenz.
Vorteil: Der Prozess ist schnell, skalierbar und findet in einem einzigen Reaktionsgefäß statt. Durch die Verwendung moderner Cap-Analoga (z. B. ARCA oder CleanCap) werden Capping-Effizienzen von >95 % erreicht.
In der industriellen Praxis ist die co-transkriptionelle Methode der vorherrschende Standard.
2. Enzymatische Modifikation (Die “Step-by-Step”-Methode)
Bei diesem traditionelleren, mehrstufigen Verfahren werden Cap und Poly-A-Schwanz in separaten Reaktionsschritten nach der IVT angefügt.
Polyadenylierung: Zunächst wird die RNA mit dem Enzym Poly(A)-Polymerase behandelt. Dieses Enzym ist darauf spezialisiert, am 3′-Ende der RNA eine lange Adenin-Kette anzubauen. Die mRNA erhält also nachträglich ihren Poly(A)-Schwanz.
mRNA-Capping: Im Anschluss wird in einer weiteren Reaktion die 5′-Cap-Struktur schrittweise aufgebaut.
Vorteil: Erzielt eine sehr hohe und saubere Capping-Effizienz, ist jedoch aufwändiger.
Unabhängig vom gewählten Verfahren schließt sich eine umfassende Reinigung an, um eine homogene und hochreine mRNA zu erhalten.
Die wesentlichen Schritte – von der reinen DNA-Vorlage bis zum formulierungsfertigen Produkt – sind in der folgenden Übersicht dargestellt:

Abb. 1.1.4-D: Im Prozess: Von der gereinigten DNA zur formulierungsfertigen mRNA Nach der IVT liegt eine komplexe Mischung aus mRNA, Template-DNA, Enzymen, Nebenprodukten und Reaktionskomponenten vor. Durch nachfolgende Reinigungsschritte wird diese Mischung auf eine überwiegend reine mRNA-Lösung reduziert, die als Ausgangsmaterial für die LNP-Formulierung dient.

Schritt 5: Verpackung der mRNA in Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Nachdem die mRNA vollständig hergestellt und gereinigt wurde, muss sie noch geschützt und transportfähig gemacht werden. Genau das übernimmt die Verpackung in Lipid-Nanopartikel (LNPs).
Warum braucht die mRNA eine Verpackung?
mRNA ist ein sehr empfindliches Molekül. Ohne Schutz würde sie im Körper sofort abgebaut werden. LNPs übernehmen mehrere Aufgaben gleichzeitig:
- sie schützen die mRNA vor Abbau
- sie transportieren sie in die Körperzellen (durch die Zellmembran)
- sie ermöglichen die kontrollierte Freisetzung der mRNA in der Zelle
Ohne LNPs wäre der Impfstoff nicht funktionsfähig.
Wie entsteht ein LNP? – Der Grundmechanismus
Die Formulierung passiert typischerweise in einem Gerät wie einem Microfluidizer oder Nanopartikel-Mischer. Dabei werden zwei Flüssigkeiten extrem schnell miteinander vermischt:
1) Eine ethanolische Lipid-Lösung
Sie enthält vier verschiedene Lipide:
- ionisierbares kationisches Lipid (bindet die mRNA und ermöglicht Zellaufnahme)
- Phospholipid (stabilisiert die Struktur – ähnlich wie in Zellmembranen)
- PEG-Lipid (sorgt für die richtige Größe und verhindert Aggregation)
- Cholesterin (macht das Partikel flexibel und stabil)

2) Eine wässrige mRNA-Lösung
Diese enthält nur:
- gereinigte mRNA
- einen milden Puffer

Abb. 1.1.5-A: Schematische Darstellung der RNA in Lösung – linear vs. 3D Oben ist die RNA als linearer Informationsstrang dargestellt – so liest man die Basensequenz. Unten ist gezeigt, wie derselbe Strang in wässriger Lösung tatsächlich existiert: als flexibles, ständig bewegtes 3D-Knäuel, in dem einzelne Abschnitte nur lose oder temporär miteinander wechselwirken.
Was passiert beim Mischen – ein Selbstorganisationseffekt
Wenn die beiden Lösungen in Sekundenbruchteilen aufeinandertreffen, ändern sich:
- pH-Wert
- Löslichkeit der Lipide
- Ladungszustände

Abb. 1.1.5-B: Das Mikrofluidik-Prinzip: Präzisions-Mischen im Millisekunden-Takt Die Abbildung zeigt schematisch das Prinzip beim mikrofluidischen Mischen. Links und rechts strömen zwei getrennte Flüssigkeiten in den Mischer ein: eine Lipid-Lösung (links) mit den verschiedenen Lipidtypen und eine mRNA-Lösung (rechts) mit frei gelösten mRNA-Strängen. Im zentralen Mikrofluidik-Kanal treffen beide Ströme aufeinander und werden intensiv verwirbelt.
Dadurch passiert ein spontaner, hochpräziser Prozess:
- Das ionisierbare Lipid wird positiv geladen → es zieht die negativ geladene mRNA an.
- Die mRNA wird „eingewickelt“ und eingeschlossen.
- Die anderen Lipide ordnen sich drumherum zu einer stabilen Hülle an.
Es entsteht automatisch ein Nanopartikel mit typischer Größe von 60–100 nm. Es ist also kein „manuelles Verpacken“, sondern eine biophysikalische Selbstorganisation – die Moleküle finden von selbst die richtige Struktur.

Abb. 1.1.5-C: Wie aus zwei Flüssigkeiten ein Nanopartikel wird: Mikrofluidische Formulierung Die Abbildung zeigt in vier Schritten, wie sich mRNA und Lipide während der Formulierung ganz von selbst zu einem Lipid-Nanopartikel organisieren.
1) Sobald mRNA und ionisierbare Lipide aufeinandertreffen, binden die positiv geladenen Lipidköpfchen sofort an die negativ geladenen Phosphate der mRNA und beginnen, den Strang eng zu umhüllen.
2) Dadurch zieht sich die mRNA lokal zusammen, wird kompakter und verdichtet sich weiter.
3) Auf diese Weise entsteht ein erster „Kern“ aus mRNA-Lipid-Komplexen. Darum herum lagern sich weitere ionisierbare Lipide an – zusätzlich auch Phospholipide, Cholesterin und PEG-Lipide. Zusammen stabilisieren sie die entstehende Struktur, während die mRNA zunehmend dichter eingeschlossen wird.
4) Schließlich bildet sich ein dicht gepackter, nahezu kugelförmiger Nanopartikel. Seine Form entsteht nicht durch äußere Steuerung, sondern allein aus den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Moleküle: ein Beispiel für spontane Selbstorganisation auf der Nanoskala.
Abb. 1.1.5-D: Formulierungsschritt: Herstellung der LNP-mRNA-Dispersion Die so formulierten LNPs bilden nun das fertige Wirkstoffkonzentrat, das im nächsten Schritt steril abgefüllt wird.

Abb. 1.1.5-E: Schematische Darstellung der sterilen Abfüllung des mRNA-Wirkstoffkonzentrats Ein Impfstoff-Vial enthält eine sehr große Anzahl einzelner Lipid-Nanopartikel, typischerweise im Bereich von 10¹³–10¹⁴ Partikeln pro Fläschchen.
1.2. Verunreinigungen und Nebenprodukte
Die Herstellung einer funktionsfähigen mRNA umfasst mehrere aufeinanderfolgende Prozessschritte – von der Vervielfältigung der DNA-Vorlage bis zur Prozessierung und Formulierung der RNA. In nahezu jedem dieser Schritte entstehen neben dem gewünschten Produkt auch Nebenprodukte, Verunreinigungen oder Reststoffe.
1.2.1. Typische Verunreinigungen bei der bakteriellen Herstellung
1.2.2. Typische Verunreinigungen und Nebenprodukte nach der IVTFür die Sicherheit und Wirksamkeit des Therapeutikums ist deren Identifizierung und spätere Abtrennung im Downstream Prozess entscheidend.
In diesem Abschnitt werfen wir einen Blick auf die wichtigsten potenziellen Verunreinigungen und Nebenprodukte und ihre bekannten biologischen Aktivitäten.
1.2.1. Typische Verunreinigungen bei der bakteriellen Herstellung
Nach der Lyse der Bakterienzellen liegt die Plasmid-DNA in einer komplexen Reaktionsmischung vor. Neben der gewünschten Plasmid-DNA enthält die Lösung chromosomale DNA, bakterielle RNA, Proteine, Enzyme (einschließlich RNasen), Endotoxine sowie Zellwandfragmente.

Abb. 1.2.1: Reaktionsmischung nach der bakteriellen Lyse (nicht maßstabsgetreu) Die Abbildung zeigt schematisch die Zusammensetzung der Lösung nach dem Aufschluss der E.-coli-Zellen, in denen das Plasmid vervielfältigt wurde. Neben der gewünschten Plasmid-DNA, die die spätere Expressionskassette für die mRNA enthält, sind zahlreiche bakterielle Bestandteile und Prozesshilfsstoffe vorhanden. Die dargestellten Komponenten sind in eine proteinreiche zytosolische Matrix eingebettet, die aus dem bakteriellen Zytoplasma stammt (gelber Hintergrund).
Diese komplexe und heterogene Mischung verdeutlicht, dass die Plasmid-DNA zunächst aus einer stark verunreinigten biologischen Umgebung isoliert werden muss, bevor sie als Vorlage für die in-vitro-Transkription eingesetzt werden kann.
1.2.2. Typische Verunreinigungen und Nebenprodukte nach der In-vitro-Transkription
Obwohl die in-vitro-Transkription (IVT) eine effiziente Methode zur enzymatischen Herstellung von mRNA darstellt, liefert die Reaktion kein reines Endprodukt. Im Anschluss an die Synthese liegt ein komplexes Gemisch vor, das neben der Ziel-mRNA verschiedene prozessbedingte Verunreinigungen und Nebenprodukte enthält.

Abb. 1.2.2: Reaktionsmischung nach der in-vitro-Transkription (nicht maßstabsgetreu) Die Abbildung zeigt schematisch die komplexe Zusammensetzung der IVT-Reaktionslösung. Neben der gewünschten, vollständig prozessierten mRNA (Zielmolekül) enthält die Mischung verschiedene RNA-Nebenprodukte, wie uncapped, degradierte oder abortive RNA, doppelsträngige RNA sowie RNA:DNA-Hybride. Weitere Bestandteile:
IVT-Produkte
Lineare Plasmid-DNA: DNA-Vorlage mit der Expressionskassette für das Spike-Protein.
T7-Polymerase: Enzym, das den T7-Promotor erkennt und die mRNA synthetisiert.
Nukleotide: Bausteine der mRNA-Synthese – Cytosin (C), Guanin (G), Adenin (A) und N1-Methylpseudouridin (m¹Ψ) anstelle von Uridin (U). Uridin ist aufgeführt, da geringe U-Anteile aus der Herstellung der modifizierten Nukleotide stammen können.
Cap-Analoga: Synthetische Cap-Analoga, die während der IVT zur Ausbildung der Cap-1-Struktur eingesetzt werden und nach der Reaktion teilweise im Überschuss vorliegen.Potentielle Verunreinigungen
RNasen: Enzyme, die RNA spalten und abbauen können; sie können unbeabsichtigt über Rohstoffe oder bakterielle Reststoffe eingeschleppt werden.
Endotoxine: Bestandteile der äußeren Zellmembran von Gram-negativer Bakterien wie E. coli.
Lösungsmittelreste: Rückstände aus der Herstellung und Reinigung von Ausgangsmaterialien.
Metallionen: Spurenverunreinigungen aus Rohstoffen, Prozesswasser oder Produktionsanlagen.Übersicht: Typische RNA-Nebenprodukte nach der IVT (vor Reinigung)
a) Abortive mRNA
b) Degraded mRNA
c) Uncapped mRNA
d) Doppelsträngige RNA (dsRNA)
e) RNA:DNA-Hybride
a) Abortive mRNA
Zu Beginn der Transkription bindet die T7-RNA-Polymerase fest an den Promotor und bildet einen stabilen Initiationskomplex. Der Übergang von dieser Initiationsphase in eine produktive Elongation ist jedoch mechanisch instabil.
Die Polymerase entwindet lokal die DNA um die Transkriptionsstartstelle und beginnt mit der Synthese eines kurzen RNA-Strangs. Dabei zieht sie die DNA in das Enzym hinein, ohne sich selbst entlang der DNA vorwärtszubewegen. Dieses sogenannte Scrunching führt zur Akkumulation mechanischer Spannung im Transkriptionskomplex, da das Enzym gleichzeitig am Promotor festhält und die DNA weiter einzieht.
Gelingt es der Polymerase nicht, diese Spannung durch das Lösen vom Promotor und den Übergang in die Elongationsphase abzubauen, schnellt die DNA in ihre ursprüngliche Form zurück. Das bereits gebildete kurze RNA-Fragment wird ausgeworfen – ein abortives Transkript entsteht.
Dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen, sodass eine einzelne Polymerase zahlreiche abortive RNA-Fragmente produziert, bevor eine vollständige Transkription gelingt. Erst wenn eine RNA-Länge von typischerweise etwa 8–14 Nukleotiden erreicht ist, löst sich die Polymerase vom Promotor und bildet einen stabilen Elongationskomplex.
Erscheinungsbild
Abortive RNAs sind sehr kurze RNA-Fragmente, meist nur 2–10 Nukleotide (nt) lang, die während der instabilen Initiationsphase der Transkription entstehen. Trotz der Verwendung co-transkriptioneller Capping-Strategien, bei denen das Cap-Analogon als Initiator dient, erreichen die meisten abortiven Transkripte nicht die für einen stabilen Cap-Einbau erforderliche Länge. Daher liegen sie mehrheitlich als uncapped Fragmente mit einem 5′-Triphosphat-Ende vor. Nur in Einzelfällen – bei längeren abortiven Transkripten im Bereich von etwa 10–12 Nukleotiden – kann formal ein Cap-Analogon eingebaut sein.

Abb. 1.2.2-A: Abortive RNAs sind schematisch mit freiem 5′-Triphosphat (ppp) dargestellt und erreichen aufgrund der instabilen Initiationsphase keine cap-tragende Elongationsform. Biologische Auswirkung
Die biologischen Auswirkungen abortiver RNA-Fragmente sind bislang nicht vollständig erforscht. Einzelne, isolierte Fragmente von nur wenigen Nukleotiden sind in der Regel zu kurz, um bekannte RNA-Sensoren des angeborenen Immunsystems zu aktivieren, und werden nicht in Proteine übersetzt.
Das potenzielle Risiko liegt daher weniger in den einzelnen 2–10-nt-Fragmenten selbst, sondern in möglichen Sekundäreffekten:
Doppelstrangbildung: Kurze RNA-Fragmente könnten als Primer dienen oder zur Bildung kurzer doppelsträngiger RNA beitragen.
Komplexbildung: Hohe Mengen solcher Fragmente könnten sich zu komplexeren Strukturen zusammenlagern oder die Effizienz nachfolgender Reinigungsschritte beeinträchtigen.
Unspezifischer Belastungseffekt: Eine hohe Konzentration kurzer RNA-Fragmente könnte kurzfristig zellulären Stress erhöhen, auch wenn sie rasch abgebaut werden.BioNTech weist darauf hin, dass abortive Nebenprodukte im Zytosol (dem flüssigen Zellinneren) transfizierter Zellen (Zellen, in die die mRNA eingebracht wurde) potenziell unbekannte Wechselwirkungen mit zelleigenen RNAs oder Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) eingehen könnten, was den Bedarf an weiterer Forschung unterstreicht. [Die Auswirkungen von In-vitro-Transkriptionsnebenprodukten und Verunreinigungen verstehen]
Ungefährer Anteil (vor Reinigung)
BioNTech berichtet, dass etwa 44 % der T7-Polymerasen abortive Transkripte produzieren, bevor eine vollständige Transkription gelingt. Daher können sie zahlenmäßig die häufigste RNA-Spezies im Rohansatz darstellen. Jedoch machen sie unter Standard-IVT-Bedingungen weniger als 1 % der gesamten RNA-Masse aus. Der genaue Anteil abortiver RNAs hängt stark von der Sequenz der Vorlage und den Reaktionsbedingungen ab.
b) Degraded mRNA
Im Gegensatz zu abortiver mRNA handelt es sich bei degradierter mRNA um ehemals vollständige oder lange mRNA-Stränge, die durch äußere Einflüsse oder enzymatische Prozesse teilweise oder vollständig zerstört wurden. Der Abbau kann über verschiedene Mechanismen erfolgen:
Enzymatisch durch RNasen: Dies ist die häufigste Ursache für den Abbau während und nach der IVT. RNasen (Ribonukleasen) sind extrem stabile Enzyme, die nahezu überall vorkommen (z. B. auf der Haut, im Staub oder in Rohstoffen). Sie spalten RNA an spezifischen oder strukturell bevorzugten Stellen. Bereits geringste Verunreinigungen im Reaktionsgemisch können dazu führen, dass frisch synthetisierte mRNA in Fragmente zerfällt.
Chemisch/physikalisch: RNA ist aufgrund ihrer chemischen Struktur deutlich instabiler als DNA. Erhöhte pH-Werte, hohe Temperaturen oder bestimmte Metallionen fördern die hydrolytische Spaltung des RNA-Rückgrats und führen zu Kettenbrüchen.
Mechanisch: Wird die Lösung hohen Scherkräften ausgesetzt – etwa durch starkes Rühren oder das Pumpen durch enge Leitungen – können lange mRNA-Stränge physisch zerreißen. Dabei entstehen eher große Bruchstücke als die feinen Fragmente, die durch RNasen verursacht werden.
Abbruch während der Elongation: Streng genommen handelt es sich hierbei nicht um klassische Degradation, sondern um unvollständige mRNA, die bereits während der Synthese entsteht. Fällt die Polymerase während der Elongation vorzeitig vom DNA-Template ab – etwa durch starke Sekundärstrukturen oder limitierte Nukleotidverfügbarkeit – entsteht eine verkürzte mRNA, der das 3′-Ende und damit der Poly-A-Schwanz fehlt.
Erscheinungsbild
Degradierte mRNA liegt als Gemisch von Fragmenten unterschiedlicher Länge vor. Diese Fragmente können einzelne Strangbrüche enthalten oder vollständig zerfallen sein und tragen häufig kein vollständiges 5′-Cap und/oder keinen Poly-A-Schwanz.

Abb. 1.2.2-B: Diese schematische Darstellung zeigt degradierte mRNA … als ein heterogenes Gemisch von Fragmenten, das während oder nach der in-vitro-Transkription entstehen kann. Im Kontrast zur intakten, vollständigen mRNA (unten als Referenz) sind die Abbauprodukte unterschiedlich lang und weisen charakteristische Schäden auf: verlorene oder beschädigte 5′-Cap-Strukturen, freigelegte 5′-Triphosphate (ppp) – die bei Verlust des Caps exponiert werden, verkürzte Poly-A-Schwänze und interne Strangbrüche. Die Fragmente liegen nicht als einheitliche Spezies vor, sondern als komplexes Gemisch.
Biologische Auswirkung
Degradierte mRNA ist keine einheitliche Substanz, sondern ein heterogenes Gemisch. Nicht alle Fragmente sind biologisch problematisch. Das größte Risiko geht von Fragmenten aus, die spezifische immunologische Gefahrensignale tragen, darunter:
- freiliegende 5′-Triphosphate, die von zytosolischen RNA-Sensoren wie RIG-I erkannt werden,
- kurze doppelsträngige RNA-Strukturen, die durch Sekundärstruktur oder Hybridisierung entstehen und Rezeptoren wie MDA5 oder TLR3 aktivieren können,
- ungewöhnliche Endstrukturen (fehlendes Cap oder Poly-A-Schwanz), die als „FREMD“ erkannt werden.
Solche Fragmente können angeborene Immunantworten auslösen und die Verträglichkeit der mRNA-Formulierung beeinträchtigen.
Ungefährer Anteil (vor Reinigung)
Der Anteil degradierter mRNA variiert stark mit der Prozessführung. Typischerweise liegt er vor der Reinigung im Bereich von etwa 1–10 %. In gut optimierten IVT-Prozessen wird dieser Anteil jedoch gezielt auf ein Minimum reduziert.
c) Uncapped mRNA
In modernen IVT-Prozessen wird die 5′-Cap-Struktur häufig co-transkriptionell mithilfe sogenannter CleanCap-Analoga eingeführt. Dabei handelt es sich um synthetische Initiator-Oligonukleotide, die bereits die vollständige 5′-Cap-Struktur einschließlich des ersten transkribierten Nukleotids tragen.
Die T7-RNA-Polymerase nutzt CleanCap gezielt zur Initiation der Transkription; ein direkter Wettbewerb mit GTP (normales Nukleotid), wie er bei klassischen Cap-Analoga auftritt, findet dabei nicht statt. Dadurch entstehen überwiegend korrekt gecappte mRNA-Moleküle, während der Anteil uncapped mRNA stark reduziert wird.
Erscheinungsbild
Uncapped mRNA liegt als vollständige RNA-Sequenz vor, unterscheidet sich jedoch durch das Fehlen der 5′-Cap-Struktur am 5′-Ende.

Abb. 1.2.2-C: Diese Darstellung visualisiert mRNA-Moleküle, denen das funktionelle 5′-Cap fehlt. Sie tragen stattdessen ein immunogenes 5′-Triphosphat (ppp). Biologische Auswirkung
Zellen besitzen spezialisierte Enzyme, die RNA-Stränge ohne 5′-Cap sehr effizient vom 5′-Ende her abbauen. Dieser Mechanismus dient der raschen Entsorgung fehlerhafter oder gealterter körpereigener RNAs.
Immunreaktion: Uncapped RNA wird von zellulären Mustererkennungsrezeptoren wie RIG-I erkannt und kann eine starke Typ-I-Interferon-Antwort auslösen. Dadurch wird die Zelle in einen antiviralen Zustand versetzt.
Bei uncapped modRNA reduziert der Austausch von Uridin durch N1-Methylpseudouridin (m¹Ψ) die Aktivierung dieser Sensoren deutlich. Es kommt zu einem biologischen „Tauziehen“ zwischen dem immunstimulierenden uncapped 5′-Ende und der immunmodulierenden Nukleosid-Modifikation. Insgesamt würde uncapped modRNA daher als mäßig immunogenes Molekül wirken, jedoch weiterhin schneller abgebaut werden als korrekt gecappte modRNA.
Minimale Proteinproduktion: Da die 5′-Cap-Struktur auch für die effiziente Bindung an das Ribosom notwendig ist, wird uncapped mRNA kaum oder gar nicht in Protein übersetzt.
Ungefährer Anteil (vor Reinigung)
Der Anteil uncapped mRNA nach der IVT hängt maßgeblich von der verwendeten Capping-Strategie ab. Bei modernen co-transkriptionellen CleanCap-Verfahren liegt der Anteil uncapped mRNA vor der Reinigung typischerweise im Bereich von ca. 1–6 %.
d) Doppelsträngige RNA (dsRNA)
Ein weiteres relevantes Nebenprodukt der in-vitro-Transkription (IVT) ist doppelsträngige RNA (dsRNA). Während die gewünschte Impfstoff-mRNA als einzelsträngiges Molekül synthetisiert wird, können im Verlauf der IVT auch RNA-Duplexe entstehen, bei denen zwei komplementäre RNA-Stränge über Watson-Crick-Basenpaarung miteinander verbunden sind.
Die Entstehung solcher dsRNA-Spezies ist kein zufälliges Aggregationsphänomen, sondern geht auf spezifische, enzymatisch vermittelte Nebenreaktionen der T7-RNA-Polymerase zurück.
Entstehungsmechanismen
Promotorunabhängige Transkription des Nicht-Templatestrangs
Unter bestimmten Bedingungen kann die T7-RNA-Polymerase auch ohne klassischen Promotorstart RNA synthetisieren, indem sie den Nicht-Templatestrang der DNA-Vorlage abliest. Die dabei entstehenden RNA-Moleküle sind weitgehend komplementär zur gewünschten mRNA. Treffen Sense- und Antisense-RNA aufeinander, bilden sich ausgedehnte, nahezu vollständig doppelsträngige RNA-Duplexe. Dieser Mechanismus wird insbesondere begünstigt, wenn die DNA-Vorlage nicht vollständig linearisiert ist oder spezifische Sequenzen am 3′-Ende der Vorlage vorliegen.
Abb. 1.2.2-D1: dsRNA-Entstehung durch promotorunabhängige Transkription des Nicht-Templatestrangs (RNA schematisch dargestellt; Nukleosid-Modifikationen (z. B. m¹Ψ) nicht explizit abgebildet.)
1) Der Normalfall: Der T7-Promotor hat eine außergewöhnlich hohe Affinität für die T7-RNA-Polymerase. Deshalb startet die Polymerase fast ausschließlich dort. Sie liest DNA stets in 3′ → 5′-Richtung und synthetisiert ein neues RNA-Molekül ausschließlich in 5′ → 3′-Richtung.
2) Das Ergebnis ist die gewünschte Sense-RNA, die genau der Sequenz des Nicht-Templatestrangs entspricht.
3) Der Sonderfall: Nach dem Run-off – dem Verlassen der DNA-Vorlage am Ende der Transkription – löst sich die Polymerase von der DNA. In seltenen Fällen kann sie unspezifisch an strukturell zugängliche DNA-Enden binden. Bindet sie dabei an den zuvor nicht als Template genutzten Strang, wird dieser zur neuen Vorlage.
Unter bestimmten Reaktionsbedingungen können auch lokal offene oder dynamisch schmelzende DNA-Bereiche entstehen, an die die T7-RNA-Polymerase promotorunabhängig binden kann. Erfolgt diese Bindung am zuvor nicht genutzten Strang, wird dieser als Template gelesen.
Bei der promotorunabhängigen Transkription des Nicht-Templatestrangs fehlt eine definierte Initiationsstelle, sodass kein co-transkriptionelles Capping erfolgt. Die entstehende Antisense-RNA trägt daher typischerweise ein freies 5′-Triphosphat (pppN).
4) Das Ergebnis ist eine komplementäre Antisense-RNA, die der Sequenz des Templatestrangs entspricht.
5) Entstehung eines langen dsRNA-Duplexes: Treffen Sense-RNA und Antisense-RNA zusammen, führt das zur Bildung von dsRNA (doppelsträngiger RNA). Dabei stellen die entstehenden dsRNA-Nebenprodukte kein homogenes Molekül dar, sondern ein strukturell heterogenes Gemisch aus vollständig oder partiell komplementären RNA-Duplexen. Diese können stumpfe Enden oder einzelsträngige Überhänge aufweisen und variieren erheblich in Länge und Endstruktur.RNA-abhängige 3′-End-Verlängerung (self-priming)
Ein zweiter zentraler Mechanismus ist die RNA-abhängige Verlängerung des 3′-Endes der frisch synthetisierten mRNA. Dabei klappt das 3′-Ende der RNA aufgrund komplementärer Sequenzen intramolekular zurück und bildet eine kurze dsRNA-Haarnadel. Die T7-RNA-Polymerase kann an diese Struktur erneut binden und den RNA-Strang weiter verlängern, wobei eine Sequenz entsteht, die zur ursprünglichen RNA komplementär ist. Dieser Prozess ist unabhängig von der DNA-Vorlage und kann sogar bei bereits vollständig transkribierten RNA-Molekülen auftreten.
Abb. 1.2.2-D2: dsRNA-Entstehung durch RNA-abhängige 3′-End-Verlängerung (Self-priming) (RNA schematisch dargestellt)
1) Sense-RNA: Normale, vollständig synthetisierte mRNA.
2) Hairpin-Bildung: Der 3′-Abschnitt faltet sich um. Es entsteht ein kurzer dsRNA-Stamm (z.B. 5-10 Basenpaare) mit einer Einzelstrang-Schleife.
3) Polymerase-Bindung: Die T7-Polymerase bindet an diesen dsRNA-Stamm, als wäre es ein DNA-Template-Primer-Komplex.
4) Verlängerung: Die Polymerase nutzt den einen Strang des Hairpins als Template und verlängert das freie 3′-Ende entlang des komplementären RNA-Abschnitts. Sie synthetisiert also die Antisense-Sequenz direkt in die Verlängerung des Sense-Strangs hinein.
5) Ergebnis: Die Polymerase verlängert den Strang so weit sie kann. Die neu synthetisierte Antisense-RNA hybridisiert sofort mit der Sense-RNA. Es entsteht ein partiell oder vollständig dsRNA-haltiges RNA-Molekül.Abgrenzung zu RNA-Sekundärstrukturen
Einzelsträngige RNA bildet natürlicherweise intramolekulare Sekundärstrukturen wie Haarnadeln (Hairpin) oder interne Schleifen (siehe obere Abbildung – Punkt 2). Diese sind integraler Bestandteil funktioneller mRNA, meist kurz und thermodynamisch flexibel. Solche Strukturelemente gelten nicht als dsRNA-Nebenprodukte im engeren Sinne und sind nicht mit den langkettigen dsRNA-Duplexen gleichzusetzen, die als IVT-Verunreinigungen relevant sind.Beide Mechanismen führen zur Bildung längerer, stabiler dsRNA-Abschnitte, die sich strukturell deutlich von den kurzen, dynamischen Sekundärstrukturen korrekt transkribierter mRNA unterscheiden.
Erscheinungsbild
dsRNA-Nebenprodukte liegen typischerweise als lange, teilweise oder vollständig komplementäre RNA-Duplexe vor. Sie können nahezu die gesamte Länge der Ziel-mRNA umfassen oder ausgedehnte doppelsträngige Regionen enthalten. Häufig besitzen diese Duplexe keine 5′-Cap-Struktur und können an den Enden über einzelsträngige Überhänge verfügen.
Biologische Auswirkung
dsRNA als strukturelles Gefahrensignal
Doppelsträngige RNA (dsRNA) stellt im Zytoplasma eukaryotischer Zellen kein typisches Strukturmotiv zelleigener, translierbarer mRNA dar. Das bedeutet: Während zelluläre mRNAs normalerweise einzelsträngig sind und dazu dienen, in Proteine übersetzt zu werden (mittels Translation), tritt dsRNA physiologisch nur in eng regulierten, kurzlebigen Kontexten auf. Das Auftreten von dsRNA im Zytoplasma wird daher von der Zelle nicht primär als genetische Information, sondern als strukturelles Warnsignal interpretiert.Zytosolische Erkennung von dsRNA
Zellen verfügen über spezialisierte Mustererkennungsrezeptoren (Pattern Recognition Receptors, PRRs). Diese „Detektoren für Gefahr“ patrouillieren durch das Zytoplasma und suchen nach strukturellen Mustern wie Duplex-Länge, Endstruktur und chemischer Modifikation der Nukleotide.Zytosolische dsRNA-Sensoren und ihre immunologischen Konsequenzen
Merkmal / Spezifität Zellulärer Sensor Biologische Konsequenz (für die Zelle) Kurze dsRNA (≈ 10-300 bp) mit 5′-Triphosphat und/oder stumpfen Enden RIG-I (Retinoic acid-Inducible Gene I)
Kurz-ppp-DetektorAuslösung einer entzündlichen Genexpression (Typ-I-Interferone, Zytokine). Alarmierung der Nachbarzellen. Lange dsRNA (> ~500–1.000 bp), unabhängig von den Enden MDA5 (Melanoma Differentiation-Associated protein 5)
Langduplex-ScannerAuslösung einer massiven Typ-I-Interferon-Antwort. Wichtige Abwehr gegen viele Viren. dsRNA mittlerer Länge (≈ ≥30–100 bp) PKR (Protein Kinase R)
Intrazellulärer EffektorGlobaler Stopp der Proteinbiosynthese: Phosphorylierung des Translationsfaktors eIF2α. Hemmung der viralen Vermehrung. dsRNA mittlerer Länge (≈ ≥40–100 bp) OAS (2′-5′-Oligoadenylat-Synthetasen)
Intrazellulärer EffektorUnspezifischer RNA-Abbau: aktiviert die latente Ribonuklease RNase L, die alle zellulären und viralen RNA-Moleküle zerschneidet. Kann zum Zelltod führen. dsRNA im Endosom (extra-zellulär aufgenommene oder phagozytierte dsRNA) TLR3 (Toll-like Receptor 3)
Wächter an der ZellpforteFührt zur Produktion von Typ-I-Interferonen und pro-inflammatorischen Zytokinen. Die Wirkung von m¹Ψ
Die Verwendung nukleosid-modifizierter mRNA (modRNA), etwa durch den Einbau von N¹-Methylpseudouridin, kann die Aktivierung bestimmter zytosolischer RNA-Sensoren deutlich reduzieren. Besonders betroffen sind RIG-I und PKR, die bevorzugt auf einzelsträngige RNA oder kurzlebige dsRNA-Strukturen reagieren. Längenabhängige Sensoren wie MDA5 werden durch diese Modifikation hingegen nur eingeschränkt moduliert und bleiben gegenüber ausgedehnten dsRNA-Duplexen weitgehend empfindlich.Aus diesem Grund besitzt dsRNA auch im Kontext von modRNA weiterhin ein hohes immunstimulatorisches Potenzial – das heißt, sie kann das Immunsystem aktivieren und unerwünschte Entzündungsreaktionen auslösen. Die effiziente Minimierung solcher dsRNA-Nebenprodukte durch optimierte Transkriptionsbedingungen, chemische Modifikationen und nachgelagerte Reinigungsverfahren ist daher ein zentraler Bestandteil der mRNA-Herstellung.
Ungefährer Anteil (vor Reinigung)
Der Anteil an dsRNA nach der IVT ist stark prozessabhängig und wird von Faktoren wie der Qualität der DNA-Vorlage, den Reaktionsbedingungen und der verwendeten Polymerase beeinflusst. Typischerweise liegt der dsRNA-Anteil vor der Aufreinigung im niedrigen einstelligen Prozentbereich, kann unter ungünstigen Bedingungen jedoch deutlich höher ausfallen.
e) RNA:DNA-Hybride
Während der in-vitro-Transkription kann es unter bestimmten Bedingungen dazu kommen, dass der neu synthetisierte RNA-Strang nicht vollständig vom DNA-Template dissoziiert. Er kann partiell am Templatestrang verbleiben und dabei den komplementären DNA-Strang verdrängen. Es entstehen sogenannte RNA:DNA-Hybride.
Die Bildung solcher Hybridstrukturen ist stark sequenzabhängig. Besonders purinreiche Transkripte – also RNA-Sequenzen mit vielen der Basen Adenin und Guanin – sowie DNA-Vorlagen mit sich wiederholenden GAA-Abschnitten (Guanin–Adenin–Adenin) begünstigen die Entstehung stabiler RNA:DNA-Duplexe. Diese Nebenprodukte werden in der Regel unterschätzt, lassen sich jedoch experimentell mit spezifischen Antikörpern gegen RNA:DNA-Hybride nachweisen. [Die Auswirkungen von In-vitro-Transkriptionsnebenprodukten und Verunreinigungen verstehen]
Erscheinungsbild
RNA:DNA-Hybride liegen typischerweise als R-Loop-artige Strukturen vor. Dabei handelt es sich um lokal begrenzte, dreisträngige Nukleinsäurekonformationen, bestehend aus:
- einem RNA:DNA-Hybrid-Duplex,
- einem verdrängten DNA-Einzelstrang,
- sowie der angrenzenden DNA-Doppelhelix außerhalb der Hybridregion.

Abb. 1.2.2-E: Schematische Darstellung einer R-Loop-Bildung während der in-vitro-Transkription Der neu synthetisierte RNA-Strang hybridisiert partiell mit dem DNA-Templatestrang und verdrängt dabei den komplementären Nicht-Templatestrang. Es entsteht ein R-Loop, bestehend aus einem RNA:DNA-Hybrid-Duplex und einem verdrängten DNA-Einzelstrang, eingebettet in eine ansonsten doppelsträngige DNA-Region.
Außerhalb des R-Loops liegt die DNA weiterhin als reguläre Doppelhelix vor.Biologische Auswirkung
Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass RNA:DNA-Hybride von zellulären Mustererkennungsrezeptoren (Pattern Recognition Receptors, PRRs) erkannt werden können. Zu diesen Sensoren des angeborenen Immunsystems zählen unter anderem cGAS, TLR9 und das Inflammasom-Protein NLRP3, die solche Hybridstrukturen binden können. Ihre Aktivierung kann eine Immunreaktion auslösen, die zur Bildung von entzündungsfördernden Botenstoffen (Zytokinen) und Typ-I-Interferonen führt.
Ob und in welchem Ausmaß RNA:DNA-Hybrid-Kontaminanten tatsächlich zu unerwünschten Immunreaktionen therapeutisch eingesetzter IVT-mRNA beitragen, ist bislang jedoch nicht systematisch untersucht worden.
Vor diesem Hintergrund erscheint die effiziente Entfernung von RNA:DNA-Hybrid-Verunreinigungen aus IVT-mRNA aus Qualitätssicherungsgründen als relevanter Aspekt. Dies gilt insbesondere für therapeutische Anwendungen, bei denen eine ausgeprägte Aktivierung des Immunsystems nicht angestrebt wird. [Die Auswirkungen von In-vitro-Transkriptionsnebenprodukten und Verunreinigungen verstehen]
Ungefährer Anteil (vor Reinigung)
Der Anteil an RNA:DNA-Hybriden nach der in-vitro-Transkription ist stark prozessabhängig. Er wird unter anderem durch die Sequenz und Qualität der DNA-Vorlage sowie durch die Reaktionsbedingungen beeinflusst. Insgesamt wird ihr Anteil vor der Aufreinigung als gering eingeschätzt, kann jedoch je nach Transkript und Prozessführung variieren. Verlässliche, öffentlich zugängliche quantitative Daten zum genauen Anteil von RNA:DNA-Hybriden in therapeutischen mRNA-Produkten liegen bislang nicht vor, da entsprechende Messwerte in der Regel Teil des firmenspezifischen Herstellungs- und Qualitätskontrollwissens sind.
** Eine weitere Entstehungsmöglichkeit für RNA:DNA-Duplexe im Rahmen der DNase-Behandlung wird in Abschnitt „1.3.1. a) Mögliche posttranskriptionelle RNA:DNA-Hybridisierung“ beschrieben. **

1.3. Reinigungsverfahren im Herstellungsprozess
Da mRNA-Impfstoffe extrem hohe Reinheitsanforderungen erfüllen müssen, ist die Aufreinigung kein einzelner, isolierter Prozessschritt. Vielmehr zieht sie sich wie ein roter Faden durch den gesamten Herstellungsprozess.
Der genaue industrielle Ablauf ist bei Herstellern wie BioNTech/Pfizer oder Moderna proprietär (unternehmensintern) und wird nicht vollständig offengelegt. Patente und regulatorische Dokumente zeigen jedoch, dass eine Kombination etablierter biotechnologischer Reinigungsverfahren eingesetzt wird.
Eine schematische, industrieübergreifende Übersicht zur mRNA-Herstellung, in der der kontinuierliche Fluss von Reinigungsaktivitäten entlang des Gesamtprozesses dargestellt ist, findet sich beispielhaft in der technischen Dokumentation von Merck/Sigma-Aldrich (Manufacturing strategies for mRNA vaccines and therapies, Abbildung 1).
Im Herstellungsprozess lassen sich vereinfacht drei besonders kritische Reinigungsphasen unterscheiden:
- vor der in-vitro-Transkription (prä-IVT): Aufreinigung der DNA-Vorlage,
- nach der in-vitro-Transkription (post-IVT): Aufreinigung der synthetisierten mRNA,
- nach der Formulierung: sterile Filtration der lipid-nanopartikulären Formulierung.
Anstatt diese Phasen streng chronologisch abzuarbeiten, werden im Folgenden die wichtigsten Reinigungsprinzipien und -methoden vorgestellt, die an unterschiedlichen Stellen des Herstellungsprozesses wiederholt zum Einsatz kommen.
1.3.1. DNase I-Behandlung – enzymatischer DNA-Abbau
1.3.2. Proteinase K – enzymatischer Abbau von Restproteinen
1.3.3. Filtration
1.3.4. Chromatographie – das molekulare Trennverfahren
1.3.5. Magnetkügelchen-ReinigungDie folgende Übersicht fasst die zentralen Reinigungstechniken zusammen. Sie dient als Rahmen für die anschließend vertiefte Darstellung der jeweiligen Methoden.
Methode Entfernt Prinzip Vorteile Einschränkungen DNase I Behandlung Template-DNA Spezifischer enzymatischer Abbau Sehr selektiv, zerkleinert problematische Nukleinsäuren Enzyme müssen vollständig entfernt werden, sonst Gefahr von Restaktivität Proteinase K Enzyme aus der Transkription (z. B. Polymerasen, Ligase, Restriktions-enzyme) Unspezifischer Abbau von Proteinen Universell wirksam, entfernt viele Proteinarten Muss durch weitere Reinigungsschritte ergänzt werden (Enzymreste selbst problematisch) Filtration & TFF (Tangentialfluss-filtration) Salze, Nukleotide, kleine Moleküle, Pufferreste; auch Konzentration möglich Trennung nach Molekülgröße durch Membranen Skalierbar, robust, vielseitig (Konzentration + Pufferwechsel in einem Schritt) Keine Unter-scheidung ähnlicher Nukleinsäuren; eher ein „Grobwerkzeug“ Chromatografie (Poly(dT), AEX) dsRNA, kurze RNA-Fragmente, restliche Nukleotide, Proteine Trennung nach Ladung oder spezifischer Bindung an Oberflächen Sehr präzise, trennt eng verwandte Nukleinsäuren; etabliert in der Industrie Technisch anspruchsvoll, kostenintensiv, erfordert exakte Prozesskontrolle Magnetkügelchen-Reinigung
(Prozess 1)Selektion reifer, polyadenylierter mRNA; entfernt kurze Fragmente & Verunreinigungen Poly(T)-beschichtete Beads binden spezifisch an den Poly(A)-Schwanz der mRNA Hohe Spezifität, schnelle und effiziente Trennung Für kleine bis mittlere Volumina geeignet; bei Großproduktion schwer skalierbar
1.3.1. DNase I-Behandlung – enzymatischer DNA-Abbau
Deoxyribonuclease I (DNase I) ist ein Enzym, das DNA-Moleküle in kleinere Fragmente spaltet. Oft spricht man auch vom „Verdauen“ der DNA – ein bildhafter Ausdruck für den enzymatischen Abbau langer DNA-Stränge in kürzere Stücke. In der Biotechnologie wird DNase I eingesetzt, um unerwünschte DNA-Verunreinigungen gezielt zu fragmentieren.
DNase I ist somit kein vollständiger Reinigungsmechanismus, sondern ein vorbereitender Schritt, der die nachfolgende physikalische und chromatographische Trennung erleichtert.
In der mRNA-Impfstoffherstellung wird DNase I nach der in-vitro-Transkription (IVT) eingesetzt, um die DNA-Vorlage (Template-DNA) sowie den DNA-Anteil eventuell gebildeter RNA:DNA-Hybride zu fragmentieren, die die Qualität oder Sicherheit des Endprodukts beeinträchtigen könnten. Die DNase I erkennt die räumliche Struktur der DNA – genauer gesagt: das Zucker-Phosphat-Rückgrat. Das Enzym setzt sich wie ein Sattel auf die DNA und greift in die sogenannte „kleine Furche“ (minor groove). Dabei verbiegt sie die DNA-Struktur lokal, um den Zugang zur Phosphodiesterbindung zu ermöglichen. Da die Breite der kleinen Furche je nach Basenabfolge minimal variiert, schneidet DNase I an manchen Stellen (z. B. bei bestimmten A/T-reichen Regionen) etwas lieber als an anderen.

Abb. 1.3.1-A: Schematische Darstellung der Bindung von DNase I an doppelsträngige DNA. Die typische B-Form der DNA ist die schlanke, rechtsgewundene Doppelhelix, die aussieht wie eine Wendeltreppe mit zwei unterschiedlich großen Rillen (einer großen und einer kleinen Furche), die sich um sie herum winden.
Das Enzym interagiert bevorzugt mit der kleinen Furche (minor groove) des DNA-Doppelstrangs und bindet dabei an das Zucker-Phosphat-Rückgrat. Die Bindung führt zu einer lokalen Verformung der DNA, wodurch die Spaltung der Phosphodiesterbindung ermöglicht wird. Die große Furche (major groove) ist dargestellt, spielt jedoch für die Bindung von DNase I keine primäre Rolle.DNase I schneidet DNA unspezifisch, also an vielen verschiedenen Positionen entlang des Strangs. Sie wirkt sowohl auf einzelsträngige (ssDNA) als auch auf doppelsträngige DNA (dsDNA). Ihre Aktivität hängt dabei von mehreren Faktoren ab, insbesondere von den vorhandenen Metallionen, die die Art der Schnittstellen beeinflussen [bioswisstec, YEASEN]:
In Gegenwart von Magnesium-Ionen (Mg²⁺) schneidet DNase I die doppelsträngige DNA (dsDNA) überwiegend durch einzelsträngige Schnitte („nicks“). Das führt zur Bildung kurzer doppelsträngiger DNA-Fragmente (dsDNA) mit Überhängen sowie in geringerem Umfang zu einzelsträngigen (ssDNA) Fragmenten.
In Gegenwart von Mangan-Ionen (Mn²⁺) schneidet die DNase I beide dsDNA-Stränge nahezu an derselben Position, wodurch überwiegend stumpf-endige dsDNA-Fragmente entstehen.

Abb. 1.3.1-B: Schematische Darstellung der DNase I-Wirkung in Abhängigkeit von Metallionen Effektivität der DNase I
Der Hersteller Thermo Fisher Scientific beschreibt in dem Online-Artikel „DNase I entmystifiziert“ die Wirkweise und Grenzen der DNase-I-Behandlung. Der Beitrag verdeutlicht, dass die Effektivität von DNase I stark von den Reaktionsbedingungen und der Art des vorliegenden DNA-Substrats abhängt.
Im Produktionsprozess befinden wir uns nach der in-vitro-Transkription (IVT). Die Reaktionsmischung ist ein komplexer Mix aus:
- der Ziel-mRNA (Hauptkomponente),
- RNA-Nebenprodukten (z. B. verkürzte Transkripte, RNA:DNA-Hybride),
- dem DNA-Template (in relevanter, aber geringerer Menge als mRNA),
- seltenen Restformen nicht-linearer Plasmid-DNA (z. B. supercoiled),
- Enzymen, freien Nukleotiden, Salzen und Puffersubstanzen.
Wie viele Enzyme wird auch die Aktivität der DNase I durch die Zusammensetzung der Reaktionsmischung beeinflusst.
Einflussfaktoren auf die Effektivität der DNase-I-Behandlung
Faktor Mechanismus Prozessrelevanz (mRNA-Herstellung) Substrat-Zugänglichkeit DNase I schneidet bevorzugt frei zugängliche Phosphodiesterbindungen; kompakte oder topologisch eingeschränkte DNA ist schlechter erreichbar. Supercoiled oder stark verdrillte DNA-Strukturen (z. B. seltene Plasmid-Restformen) werden langsamer oder unvollständig fragmentiert. Substrat-Sättigung Hohe DNA-Mengen können das Enzym sättigen; hohe RNA-Konzentrationen beeinflussen die räumliche Zugänglichkeit der DNA. In IVT-Mischungen mit sehr hoher Nukleinsäurelast ist ein Enzymüberschuss erforderlich. Helix-Geometrie Die aktive Stelle der DNase I ist auf die B-Form der DNA optimiert (abweichende Helixformen passen schlechter). RNA:DNA-Hybride weisen eine A-Form-ähnliche Helix auf → Spaltaktivität < 2 % gegenüber dsDNA DNA-Struktur
(dsDNA vs. ssDNA)Höchste Aktivität auf dsDNA; Aktivität auf ssDNA etwa 500-fach geringer Sehr kurze oder teilweise einzelsträngige DNA-Fragmente werden schlechter abgebaut. Ionen im Puffer Mg²⁺ ist für die katalytische Aktivität essenziell; Ca²⁺ stabilisiert die Enzymstruktur Therapeutische Prozesse erfordern präzise eingestellte Ionenverhältnisse. Chelatoren Chelatoren (z. B. EGTA, EDTA) binden Ca²⁺/Mg²⁺ und inaktivieren DNase I. Rückstände aus Puffern oder Prozess-schritten können die DNase-Wirkung stark reduzieren. Salzkonzentration Erhöhte Ionenstärke schwächt die elektrostatische Bindung zwischen Enzym und DNA. IVT-Pufferbedingungen können die Aktivität mindern → kompensiert durch Enzymüberschuss. Der Beitrag von Thermo Fisher Scientific weist darauf hin, dass „es wahrscheinlich unmöglich ist, jeden letzten DNA-Strang in einem RNA-Präparat loszuwerden“.
Dies verdeutlicht, dass die vollständige Entfernung aller DNA-Reste technisch anspruchsvoll ist. Selbst nach sorgfältiger DNase-I-Behandlung können kurze DNA-Fragmente oder RNA:DNA-Hybride verbleiben.
Die so erzeugten kleinen DNA-Fragmente werden in nachfolgenden Prozessschritten – etwa durch Magnetkügelchen-Reinigung (bei Prozess 1) oder Chromatografie (bei Prozess 2) – aus dem Produkt entfernt (vgl. EPAR, Abschnitt 2.2).

Abb. 1.3.1-C: Schematische Darstellung der DNase-I-Behandlung im Reinigungsschritt In der industriellen mRNA-Herstellung erfolgt die DNase-I-Behandlung unmittelbar nach der in-vitro-Transkription (IVT), da die Reaktionsmischung bereits einen für das Enzym geeigneten Mg²⁺-haltigen Puffer enthält. Die Mg²⁺-abhängige Aktivität der DNase I führt überwiegend zur Fragmentierung der DNA in kurze doppelsträngige DNA-Fragmente mit Nicks (Strangbrüchen) und kurzen Überhängen. (Mn²⁺ wird aufgrund der unspezifischeren und schwer kontrollierbaren Spaltaktivität im industriellen Prozess nicht eingesetzt.)
Nach abgeschlossener Reaktion wird die DNase I häufig inaktiviert oder entfernt, beispielsweise durch Hitze, EDTA-Zugabe oder Proteinase K-Behandlung, um sicherzustellen, dass keine enzymatische Aktivität auf die mRNA übergreift.
1.3.1. a) Mögliche posttranskriptionelle RNA:DNA-Hybridisierung
Neben den während der in-vitro-Transkription entstehenden R-Loop-Strukturen wird in der neueren Literatur ein zweiter möglicher Entstehungsweg für RNA:DNA-Hybride diskutiert.
Die DNase-I-Behandlung fragmentiert die verbliebenen DNA-Vorlagen in Stücke unterschiedlicher Länge – überwiegend doppelsträngig, teilweise jedoch auch mit einzelsträngigen Überhängen oder als kurze Einzelstrangabschnitte.
Fragmente, deren Sequenz komplementär zur mRNA ist – insbesondere solche, die vom Templatestrang der ursprünglichen DNA-Vorlage stammen –, könnten unter geeigneten Bedingungen mit der mRNA hybridisieren und RNA:DNA-Duplexe bilden.
Für eine thermodynamisch stabile Hybridisierung sind in der Regel zusammenhängende komplementäre Sequenzen von etwa 8–12 Nukleotiden oder mehr erforderlich. Sehr kurze Überhänge von nur wenigen Nukleotiden (z. B. 2–4 Basen), wie sie bei einem weitgehend vollständigen DNase-Verdau typischerweise entstehen, sind dagegen nicht ausreichend für eine stabile Bindung. Voraussetzung für diesen Mechanismus wäre daher das Vorhandensein ausreichend langer, komplementärer DNA-Fragmente, etwa bei unvollständigem Verdau oder spezifischen Fragmentmustern.
Hinsichtlich der enzymatischen Abbaubarkeit ist zu berücksichtigen, dass DNase I bevorzugt doppelsträngige DNA spaltet. RNA:DNA-Hybride stellen ein strukturell abweichendes Substrat dar und werden effizienter durch spezialisierte Enzyme wie RNase H oder DNase I-XT abgebaut. In der Praxis kann dies bedeuten, dass einmal gebildete RNA:DNA-Hybride gegenüber einem erneuten DNase-I-Verdau relativ stabiler sind als freie DNA-Fragmente. Eine zusätzliche Stabilisierung kann auftreten, wenn solche Strukturen in Lipid-Nanopartikel eingeschlossen werden.
Dieser postulierte Mechanismus der Post-IVT-Hybridisierung ist bislang nicht umfassend experimentell charakterisiert. Er basiert auf theoretischen Überlegungen und vereinzelten experimentellen Hinweisen und sollte daher als plausible, aber noch nicht abschließend belegte Möglichkeit eingeordnet werden.

Abb. 1.3.1a: Schematische Darstellung einer möglichen posttranskriptionellen Hybridisierung Kurze DNA-Fragmente können unter geeigneten Bedingungen partiell an komplementäre Abschnitte der mRNA binden. Im Gegensatz zum R-Loop entsteht keine dreisträngige Struktur, sondern ein lokal begrenzter RNA:DNA-Duplex.
1.3.2. Proteinase K – enzymatischer Abbau von Restproteinen
Proteinase K ist eine breit wirksame Serinprotease, die in der Biotechnologie eingesetzt wird, um Proteine unspezifisch zu hydrolysieren, also in kleinere Peptidfragmente zu zerlegen. Sie gehört zur Klasse der Proteinasen – Enzyme, die Peptidbindungen zwischen Aminosäuren spalten und dadurch die dreidimensionale Struktur von Proteinen irreversibel auflösen.
In der mRNA-Impfstoffherstellung kann Proteinase K an verschiedenen Prozessstellen eingesetzt werden, insbesondere:
Nach der Zelllyse in der Plasmidproduktion: Hier dient sie dem Abbau bakterieller Proteine, Nukleasen und weiterer Zellbestandteile, die die Reinheit der Plasmid-DNA beeinträchtigen könnten.
Nach der in-vitro-Transkription (IVT): Nach der Transkription, bei der die mRNA aus der DNA-Vorlage synthetisiert wird, verbleiben in der Reaktionsmischung mehrere Enzyme, darunter die T7-RNA-Polymerase sowie DNase I aus dem vorangegangenen Prozessschritt. Proteinase K kann eingesetzt werden, um diese enzymatischen Rückstände gezielt zu hydrolysieren und damit die Reinheit der mRNA weiter zu erhöhen.
Wirkmechanismus
Proteinase K bindet zunächst an frei zugängliche Bereiche eines Zielproteins und beginnt dort mit der Spaltung von Peptidbindungen. Durch diese ersten Schnitte verliert das Protein schrittweise seine kompakte, dreidimensionale Faltung. Mit zunehmender Destabilisierung werden auch zuvor geschützte innere Strukturbereiche angreifbar, sodass das Protein allmählich in immer kleinere Peptidfragmente zerfällt – es „bröckelt“ förmlich auseinander. Am Ende des Prozesses verbleiben kurze, biologisch inaktive Peptidketten, die keine enzymatische Funktion mehr besitzen.

Abb. 1.3.2: Schematische Darstellung der Proteinase-K-Wirkung Die Proteinase K greift die DNase I an und spaltet deren Peptidbindungen. Zunächst werden äußere Proteinbereiche hydrolysiert, wodurch die Struktur destabilisiert wird. Schrittweise zerfällt das Protein in kleinere Fragmente, bis schließlich nur noch kurze, biologisch inaktive Peptidstücke verbleiben.
Proteinase K ist selbst ein Protein und wird nicht im Endprodukt belassen. Ihre Aktivität kann durch Prozessbedingungen, etwa durch die Reduktion stabilisierender Calciumionen, vermindert werden. In der Praxis erfolgt die Entfernung der Proteinase K jedoch vor allem physikalisch: Sowohl das Enzym selbst als auch die entstehenden Peptidfragmente werden in nachfolgenden Reinigungsschritten, insbesondere durch Ultrafiltration (z. B. Tangentialflussfiltration) und chromatographische Verfahren, zuverlässig aus der Lösung entfernt.
Bedeutung im Prozess
Durch den gezielten Einsatz von Proteinase K können restliche Prozessenzyme, bakterielle Proteine und andere Proteinverunreinigungen effektiv reduziert werden. Dies schafft definierte Ausgangsbedingungen für die nachfolgenden Filtrations- und chromatographischen Reinigungsschritte. Der Einsatz von Proteinase K stellt dabei keinen zwingenden Bestandteil jedes Herstellungsprozesses dar, erhöht jedoch die Robustheit und Reproduzierbarkeit der Aufarbeitung, insbesondere bei großskaliger industrieller Produktion.
1.3.3. Filtration
Die Filtration ist ein physikalisches Trennverfahren, das Partikel oder Moleküle hauptsächlich aufgrund ihrer Größe voneinander trennt

Dabei wird eine Mischung durch ein poröses Filtermaterial geleitet. Im einfachsten Fall wirken die Poren wie ein mechanisches Sieb: Partikel, die größer sind als die Poren, werden zurückgehalten, während kleinere Moleküle passieren.
a) Filtration – Trennung nach Größe
b) Tangentialflussfiltration (TFF)
c) Sterile Filtrationa) Filtration – Trennung nach Größe
Im Rahmen der Plasmidaufreinigung kommen zwei Grundprinzipien zum Einsatz:
- die Abtrennung unlöslicher Partikel (Klärung), um eine trübe Suspension zu klären,
- die Trennung gelöster Moleküle nach Größe (Membranfiltration), um beispielsweise Puffer auszutauschen oder Moleküle zu konzentrieren.
Klärung: Filtration nach Lyse der E.coli-Bakterienzellen
Ausgangslage: Lyse der Bakterienzellen
Die Zugabe von Natronlauge (NaOH) und dem Detergens SDS löst die fetthaltige Zellhülle der Bakterien auf. Die alkalische Lyse wirkt sich dabei nicht nur auf die Membranen, sondern auch auf Nukleinsäuren und Proteine aus. Die Doppelhelix-Struktur der DNA wird denaturiert. Die lange, faserige genomische DNA wird zusätzlich mechanisch fragmentiert. Unter den stark basischen Bedingungen verlieren Proteine ihre dreidimensionale Faltung und damit ihre biologische Funktion.Neutralisation: Ordnung des Systems
Durch Zugabe einer sauren Lösung wird die alkalische Reaktionsmischung neutralisiert. Die kurzen, ringförmigen Plasmid-DNA-Moleküle können unter diesen Bedingungen wieder korrekt renaturieren und bleiben in Lösung. Die fragmentierten und fehlgepaarten Reste der genomischen DNA sowie denaturierte Proteine aggregieren (verklumpen) dagegen zusammen mit Lipiden und Membranbestandteilen und fallen als weißlicher Niederschlag aus.Zwischenzustand
Nach der alkalischen Lyse und Neutralisation liegt die Probe als Zweiphasensystem vor: eine gelöste Phase mit Plasmid-DNA und ein unlöslicher Niederschlag aus aggregierten Bestandteilen. Diese Aggregate bestehen aus fragmentierter genomischer DNA, denaturierten Proteinen, ribosomalen Bestandteilen und Membranresten.Klär- und Tiefenfiltration
Im industriellen Maßstab werden diese Feststoffe effizient durch Tiefenfiltration entfernt. Dabei durchläuft die Suspension ein mehrlagiges, poröses Filtermaterial. Die Partikel werden nicht nur an der Oberfläche, sondern auch innerhalb der Filtermatrix zurückgehalten, was eine hohe Aufnahmekapazität und effektive Klärung ermöglicht.Ergebnis
Das klare Filtrat enthält die gelöste Plasmid-DNA weitgehend befreit von Zelltrümmern und ausgefällten Aggregaten. Diese grob gereinigte Lösung bildet die Grundlage für die nachfolgenden, hochauflösenden chromatographischen Reinigungsschritte.
Abb. 1.3.3-A: Die Abbildung zeigt das Zelllysat vor und nach der Tiefenfiltration. Nach der alkalischen Lyse enthält das Lysat neben der gewünschten Plasmid-DNA zahlreiche bakterielle Bestandteile und Prozesshilfsstoffe.
Während der anschließenden Neutralisation bilden fragmentierte genomische DNA, denaturierte Proteine, sowie Lipide und Membranreste unregelmäßige, voluminöse Aggregate (dargestellt als Wolken).
Durch die Tiefenfiltration werden diese ausgefällten Aggregate effektiv entfernt. Das resultierende Filtrat ist eine klare Lösung, die die gelöste Plasmid-DNA enthält. Daneben können noch lösliche RNA-Reste, Endotoxine (LPS), Salze, Pufferbestandteile sowie geringe Mengen gelöster Proteinreste vorhanden sein.Membranfiltration: Ultrafiltration und Diafiltration
Eine besonders wichtige Variante der Membranfiltration in der Biotechnologie ist die Ultrafiltration (UF). Sie dient der Trennung gelöster Makromoleküle (z. B. Nukleinsäuren oder Proteine) von kleineren Molekülen wie Salzen, Puffern oder Nukleotiden.
Wird während der Ultrafiltration kontinuierlich frischer Puffer zugegeben, spricht man von Diafiltration (DF). Dadurch lassen sich Moleküle nicht nur konzentrieren, sondern auch gezielt in eine neue Lösung überführen. UF und DF werden häufig kombiniert und als UF/DF-Prozess bezeichnet.
Die vorherrschende Technik für die Durchführung von UF/DF ist die Tangentialflussfiltration (TFF). [ROCKER]
b) Tangentialflussfiltration (TFF)
Bei der klassischen Filtrationsmethode (Dead-End-Filtration oder Direktflussfiltration) strömt die Lösung senkrecht auf die Membran, wodurch sich große Moleküle auf der Oberfläche ablagern und eine „Filterkuchenschicht“ bilden können. Dies verringert mit der Zeit den Durchfluss und die Lebensdauer der Membran.
Die Tangentialflussfiltration (TFF) löst dieses Problem: Hier bewegt sich die Flüssigkeit tangential entlang der Membran. Ein Teilstrom (das Permeat) passiert die Membran, während der Reststrom (das Retentat) parallel weiterfließt und Ablagerungen abträgt. Dadurch bleibt die Membran länger durchlässig und es können Konzentration und Diafiltration gleichzeitig durchgeführt werden.
Begriffserklärungen:
Retentat: Die Fraktion, die von der Membran zurückgehalten wird (meist das gewünschte Makromolekül).
Permeat: Die Fraktion, die die Membran passiert (meist kleine Moleküle und Verunreinigungen).
Abb. 1.3.3-B1: Dead-End-Filtration vs. Tangential-Flow-Filtration Bei der Dead-End-Filtration trifft der gesamte Zufluss senkrecht auf die Membran. Kleine Moleküle (Permeat) passieren die Poren, während große Moleküle zurückgehalten werden. Dadurch bildet sich mit der Zeit ein „Filterkuchen“, der die Effizienz verringert.
Bei der Tangential-Flow-Filtration strömt die Lösung parallel zur Membran. Während kleine Moleküle durch die Membran ins Permeat gelangen, werden größere Moleküle im Retentat weitergeführt. Durch den tangentialen Fluss wird die Membran kontinuierlich gespült, Ablagerungen werden verhindert und die Filtration bleibt über längere Zeit stabil und effizient.TFF ist heute eine Standardtechnik in der biopharmazeutischen Produktion, weil sie robust, skalierbar und vielseitig einsetzbar ist.
TFF bei der Impfstoffherstellung
Die Tangentialflussfiltration (TFF) wird während der mRNA-Produktion an mehreren Punkten eingesetzt: zum Beispiel nach der Transkription, nach enzymatischen Prozessierungen oder vor/nach chromatographischen Reinigungsschritten. Ihre Aufgaben reichen vom Entfernen kleiner Moleküle über den Pufferwechsel bis zur Produktkonzentration.
In diesem Kapitel konzentrieren wir uns auf einen zentralen, aber nicht abschließenden Reinigungsschritt:
TFF direkt nach der in-vitro-Transkription (IVT)
Hier dient sie der Grobreinigung der frisch synthetisierten mRNA. Sie trennt die mRNA von Enzymen, Reagenzien und Nebenprodukten und bereitet sie so für die nachfolgende Hochreinigung vor.
Ausgangslage: Die „Rohlösung“ nach der IVT, DNase-I- und Proteinase-K-Behandlung
Die mRNA liegt zu diesem Zeitpunkt in einer reaktionshaltigen Lösung vor, die noch eine Vielzahl unerwünschter Stoffe enthält:
- Enzyme (z. B. T7-Polymerase, DNase I),
- unverbrauchte Nukleotide,
- DNA-Reste vom Template,
- Puffersalze,
- Nebenprodukte der Reaktion (z. B. kurze RNA-Fragmente),
- ggf. Restbestandteile aus vorgelagerten biologischen Prozessen.
Um die mRNA-Lösung aufzubereiten, wird sie durch eine Filtereinheit mit Membranen definierter Porengröße geleitet. Moleküle unterhalb dieser Porengröße – etwa Salze, Nukleotide oder kleine Proteinreste – passieren die Membran (Permeat), während die großen mRNA-Moleküle im Retentat zurückgehalten werden.
Während des Prozesses wird kontinuierlich frischer Puffer zugegeben (Diafiltration). Dadurch werden niedermolekulare Verunreinigungen schrittweise ausgewaschen, während die mRNA gleichzeitig in den Zielpuffer überführt und konzentriert wird (Ultrafiltration).

Abb. 1.3.3-B2: Schematische Darstellung der Tangentialflussfiltration (TFF) im Rahmen der mRNA-Aufarbeitung Die mRNA-Lösung zirkuliert kontinuierlich durch das UF/DF-System. Kleine Moleküle passieren die Membran und werden ausgespült (Permeat). Eine Pumpe sorgt dafür, dass das Retentat – also die mRNA-haltige Fraktion – mehrfach über die Membran geführt wird. Durch wiederholte Zyklen und Pufferzugabe werden Verunreinigungen entfernt und die mRNA-haltige Fraktion gleichzeitig konzentriert und umgepuffert.
Wichtig ist:
Die TFF ist eine Grobtrennung nach Größe. Verunreinigungen mit ähnlicher Größe oder Form wie die mRNA – etwa doppelsträngige RNA, RNA-Fragmente vergleichbarer Länge oder RNA:DNA-Hybride – können in diesem Schritt nicht entfernt werden. Diese kritischen Nebenprodukte verbleiben im Retentat und müssen in den nachfolgenden, hochauflösenden chromatographischen Schritten abgetrennt werden.
c) Sterile Filtration
Die sterile Filtration ist ein zentraler letzter Schritt vor der Abfüllung eines mRNA-Impfstoffs. Dabei wird die fertige Formulierung (Lipidnanopartikel, die die mRNA enthalten) durch einen sehr feinen Filter geleitet. Die Porengröße ist klein genug, um alle Bakterien, Pilze und größere Partikel zuverlässig zurückzuhalten.
Prinzip der sterilen Filtration
Die sterile Filtration ist ein reines Größen-Siebverfahren:
- Die Membran besitzt exakt definierte Poren von 0,22 µm.
- Mikroorganismen sind deutlich größer und bleiben hängen.
- Die Wirkstoffpartikel (LNPs) sind viel kleiner (60–100 nm = 0,06–0,1 µm) und passieren den Filter problemlos.
Da keine Hitze oder chemische Behandlung nötig ist, eignet sich dieser Schritt besonders für empfindliche biologische Präparate wie mRNA-LNPs, die nicht autoklaviert (mit Dampf, Druck und Hitze sterilisiert) werden dürfen.
Ablauf im Detail
Die LNP-mRNA-Lösung liegt im Formulierpuffer vor. Sterile Filtration erfolgt in einer Reinraumumgebung (Klasse A/B) unter streng aseptischen Bedingungen. Es werden ausschließlich sterile Einwegartikel verwendet: Filter, Schläuche, Beutel, Pumpenköpfe, Sammelbehälter.
Die Formulierung wird mit sanftem Druck (Peristaltikpumpe oder Druckgas) durch den 0,22-µm-Filter geleitet.
Der Filter hält zurück:
▪️Bakterien (~0,5–5 µm)
▪️Hefen und Pilzsporen (~1–10 µm)
▪️Partikel oder Aggregate > 0,22 µmDurchgelassen werden:
▪️LNPs (60–100 nm)
▪️Pufferbestandteile
▪️gelöste Moleküle
Abb. 1.3.3-B3: Schematische Darstellung der Sterilen Filtration Damit wird sichergestellt, dass die Formulierung frei von Mikroorganismen und sichtbaren Partikeln ist.
Warum sterile Filtration notwendig ist
Nach GMP-Richtlinien dürfen sterile Arzneimittel ausschließlich mit validierten, sterilen Filtrationsprozessen hergestellt werden. Die sterile Filtration ist daher Pflicht und stellt sicher, dass:
- die fertige Impfstofflösung mikrobiologisch einwandfrei ist
- keine großen Partikel, Aggregate oder Verunreinigungen in das Endprodukt gelangen
- die anschließende sterile Abfüllung („aseptic fill & finish“) korrekt erfolgen kann
Die sterile Filtration ist kein chemischer Reinigungsschritt, sondern ein essenzieller Sicherheits- und Qualitätsprozess. Sie bildet die Brücke zwischen der biotechnologischen Aufreinigung der mRNA und dem finalen, sterilen Arzneimittel in der Durchstechflasche.
1.3.4. Chromatographie – das molekulare Trennverfahren
Die Chromatographie ist eine der wichtigsten Verfahren zur Reinigung biologischer Moleküle wie DNA, RNA oder Proteine. Das Prinzip basiert auf der unterschiedlich starken Wechselwirkung der Stoffe mit zwei Phasen: einer stationären Phase (ein festes Trägermaterial in einer Säule) und einer mobilen Phase (eine flüssige Lösung, die das Probengemisch transportiert).
Während die mobile Phase – also das zu trennende Molekülgemisch – durch die stationäre Phase fließt, werden die einzelnen Moleküle je nach ihrer Größe, Ladung oder anderen chemischen Eigenschaften unterschiedlich stark zurückgehalten. Dies führt zu einer zeitlichen Trennung, bei der die Bestandteile des Gemischs nacheinander eluieren (herausgespült werden).
Anschaulich gesprochen ist die Chromatographie ein „molekularer Hindernislauf“: Manche Moleküle interagieren kaum mit der stationären Phase und gleiten schnell hindurch. Andere bleiben häufiger „hängen“ und werden dadurch stärker verzögert. So erreicht jede Komponente das Ziel zu einer anderen Zeit und kann sauber aufgefangen werden.
Chromatographie-Methoden in der mRNA-Reinigung
In industriellen Prozessen, wie sie beispielsweise von MERCK beschrieben werden („Manufacturing strategies for mRNA vaccines“), kommen dabei zwei chromatographische Verfahren in Kombination zum Einsatz:
Methode Trennung nach Typische Anwendung Affinitäts-Chromatographie (Poly(dT)) spezifischer Bindung Primäre Aufreinigung: Isolierung intakter mRNA aus der IVT-Reaktionsmischung Ionenaustausch-
Chromatographieelektrischer Ladung Feinreinigung: Entfernen von dsRNA, RNA:DNA-Hybriden, DNA-Fragmenten und weiteren produktbezogenen Verunreinigungen
a) Poly(dT)-Affinitätschromatographie
Poly(dT)-AC = Poly(dT) Affinity Chromatography
Die Affinitätschromatographie nutzt spezifische Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen und einer funktionalisierten Oberfläche. Bei der Herstellung von mRNA-Impfstoffen wird die Poly(dT)-Affinitätschromatographie gezielt eingesetzt, um die reife mRNA nach der in-vitro-Transkription (IVT) aus der komplexen Reaktionslösung zu isolieren.
Ausgangslage: Nach in-vitro-Transkription (IVT), enzymatischer Nachbehandlung und Tangentialflussfiltration (TFF)
Prinzip und Ablauf
Stationäre Phase: Das Harz in der Säule ist mit langen, einzelsträngigen Ketten von Thymin-Basen (T) beschichtet, der sogenannten Poly(dT)-Matrix.
Mobile Phase: Die voraufgereinigte IVT-Lösung – bestehend aus mRNA, RNA-Nebenprodukten (z. B. dsRNA, verkürzte Transkripte), Restmengen an DNA-Fragmenten sowie definierten Puffersalzen – wird auf die Säule gegeben.
Das Zielmolekül ist das reife mRNA-Molekül – die „polyadenylierte mRNA“. Diese trägt am 3′-Ende eine Kette aus Adenin-Basen (A), den sogenannten Poly-A-Schwanz.
Spezifische Bindung über Basenpaarung
Adenin (A) und Thymin (T) bilden – wie in der DNA – spezifische Wasserstoffbrückenbindungen aus. Bildlich formuliert, der Poly(A)-Schwanz der mRNA hängt sehr stabil am Poly(dT)-Haken des Harzes.
Abb. 1.3.4-A1: Die mRNA haftet über ihren Poly(A)-Schwanz an dem Poly(dT)-Harz. Der Poly(A)-Schwanz therapeutischer mRNA umfasst typischerweise etwa 100–120 Adenin-Basen; in der Abbildung ist er aus Darstellungsgründen verkürzt dargestellt.
Nur Moleküle mit intaktem Poly(A)-Schwanz binden fest an das Harz; alle anderen Bestandteile der IVT-Reaktion fließen durch. Dazu gehören:
(a) verbleibende freie Nukleotide (nur in Spuren)
(b) Proteinfragmente aus dem enzymatischen Abbau
(c) kurze RNA-Fragmente ohne Poly(A)-Schwanz
(d) DNA-Fragmente und DNA-haltige Nebenprodukte
(e) verbleibende supercoiled Plasmid-DNA
(f) freie dsRNA
(g) Puffersalze
Waschen (Wash)
Waschpuffer entfernen schwach gebundene, unspezifisch haftende Moleküle, während die mRNA weiterhin fest an der Poly(dT)-Matrix verbleibt.Elution (Freisetzung)
Um die reine mRNA wieder von der „Angel“ zu lösen, werden die spezifischen Bindungen zwischen A und T gezielt aufgebrochen. Dies geschieht typischerweise durch Absenkung der Ionenstärke und/oder moderate Temperaturerhöhung. Die mRNA löst sich von der Matrix und wird eluiert.
Abb. 1.3.4-A2: Schematische Darstellung der Poly(dT)-Affinitätschromatographie 1) Die IVT-Reaktionsmischung wird auf die mit Poly(dT) funktionalisierte Säule aufgetragen.
2) Die polyadenylierte mRNA bindet über Basenpaarung spezifisch an das Harz,
3) während nicht-bindende Komponenten direkt durchlaufen.
4) Ein Waschpuffer entfernt schwach oder unspezifisch gebundene Moleküle.
5) Durch Zugabe eines Elutionspuffers wird die mRNA von der Poly(dT)-Matrix gelöst und in reiner Form eluiert.Vorteile
- sehr hohe Selektivität durch Poly(A)/Poly(dT)-Hybridisierung
- effiziente Abtrennung der meisten unspezifischen RNA- und Proteinverunreinigungen
- Anreicherung der vollständigen, korrekt polyadenylierten mRNA
- vergleichsweise einfache und robuste Methode
Limitierungen – warum weitere Reinigungsschritte notwendig sind
Trotz der hohen Spezifität kann die Poly(dT)-Affinität nicht alle kritischen Verunreinigungen entfernen:- dsRNA: kann über polyadenylierte Enden oder unspezifisch an die Matrix binden
- RNA:DNA-Hybride: wenn DNA an mRNA gebunden ist, wird sie gemeinsam mit eluiert
- fragmentierte mRNA mit Poly(A)-Resten bindet ebenfalls
- intramolekulare dsRNA-Strukturen innerhalb der mRNA führen zu Ko-Elution
- größere RNA-Komplexe, die an mRNA assoziiert sind, werden mitisoliert
- Endotoxine werden nicht spezifisch entfernt und können ko-eluiert werden
Hersteller wie MERCK, Lonza oder Cytiva empfehlen daher im Anschluss eine Anionenaustauschchromatographie (AEX) zur Feintrennung, insbesondere zur Entfernung von dsRNA und DNA-Restverunreinigungen.
b) Ionenaustausch-Chromatographie
Die Ionenaustausch-Chromatographie (IEX) ist eine bewährte Methode zur Reinigung von Nukleinsäuren und Proteinen. Sie trennt Moleküle anhand ihrer elektrischen Ladung. Bei Nukleinsäuren ist damit nicht eine feste Oberfläche gemeint, sondern die hohe Dichte negativ geladener Phosphatgruppen entlang des Moleküls. Im Gegensatz dazu ist die Ladung von Proteinen von der spezifischen Abfolge und Faltung ihrer Aminosäuren abhängig und kann positive und negative Bereiche aufweisen.
Je nach Art der geladenen Zielmoleküle unterscheidet man zwei Haupttypen:
▪️Anionenaustauscher (AEX, Anion Exchange Chromatography):
binden negativ geladene Moleküle wie DNA oder RNA.
▪️Kationenaustauscher (CEX, Cation Exchange Chromatography):
binden positiv geladene Moleküle, beispielsweise bestimmte Proteine.Aufgrund ihrer durchgehenden Phosphatgruppe im Rückgrat tragen Nukleinsäuren eine hohe, gleichmäßige negative Ladungsdichte.
Zucker-Phosphat-Rückgrat als Quelle der negativen Ladung von DNA/RNA
Schematische Darstellung der strukturellen Grundlage der negativen Ladung von Nukleinsäuren


DNA (und analog RNA) besteht aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat, in dem jede Phosphatgruppe eine negative Ladung trägt. Diese regelmäßig wiederholten Phosphatgruppen verleihen dem Molekül eine hohe und entlang seiner Länge gleichmäßig verteilte negative Ladungsdichte. Die Basen tragen nicht zur Gesamtladung bei.
Diese Eigenschaft macht die Anionenaustauschchromatographie (AEX) zur Methode der Wahl für deren Aufreinigung. Im Gesamtprozess kommt die AEX daher gleich doppelt zum Einsatz: Zunächst zur Aufreinigung der Plasmid-DNA-Vorlage aus dem bakteriellen Lysat. Danach, nach der in-vitro-Transkription (IVT) und Grobreinigung, zur hochauflösenden Trennung der gewünschten mRNA von strukturell ähnlichen Verunreinigungen, insbesondere doppelsträngiger RNA (dsRNA).
AEX bei der Plasmid-DNA-Aufreinigung
Ausgangslage
Nach Lyse der E.-coli-Zellen, Neutralisation und anschließender Tiefenfiltration liegt ein geklärtes Lysat vor, das die Plasmid-DNA enthält. Daneben können noch bakterielle RNA-Reste, Endotoxine, Salze, Pufferbestandteile sowie geringe Mengen gelöster Proteinreste vorhanden sein.
Prinzip und Ablauf
Stationäre Phase: Das Trägermaterial (Harz) besteht aus kleinen, positiv geladenen Polymerkügelchen. Diese dienen als Bindungsoberfläche für negativ geladene Moleküle.
Mobile Phase: Das geklärte Lysat wird auf die Säule gegeben. Zunächst binden die negativ geladenen Biomoleküle – darunter Plasmid-DNA, RNA und Endotoxine – an das positiv geladene Harz. Ungebundene oder schwach geladene Bestandteile werden durch Spülpuffer entfernt.
Das Zielmolekül ist die Plasmid-DNA – die entlang ihrer Länge eine gleichmäßig verteilte negative Ladungsdichte besitzt.
Selektive Elution: Anschließend wird ein Puffer mit ansteigender Salzkonzentration über die Säule geleitet. Die positiv geladenen Ionen (z. B. Na⁺) im Puffer konkurrieren mit den Biomolekülen um die Bindungsstellen des Harzes. Dadurch lösen sich die Moleküle in einer charakteristischen Reihenfolge – je nach ihrer Ladungsdichte und Bindungsstärke:
- Endotoxine und kleine RNA-Fragmente eluieren früh, da sie eine geringere Ladungsdichte besitzen.
- Plasmid-DNA – überwiegend in superhelikaler, aber auch in relaxeder Ringform – bindet aufgrund ihrer hohen negativen Ladungsdichte am stärksten und eluierte erst bei höheren Salzkonzentrationen.
Ergebnis
Durch diese selektive Elution erhält man eine Lösung – die reich an hochreiner Plasmid-DNA ist, überwiegend in superhelikaler Form, mit einem geringeren Anteil relaxeder Ringformen – während die meisten anderen Zellbestandteile und Verunreinigungen bereits entfernt wurden. Diese DNA-Fraktion dient anschließend als Template für die nachfolgende in-vitro-Transkription (IVT).
Abb. 1.3.4-B1: Schematische Darstellung der AEX bei der Plasmid-DNA-Aufreinigung 1) Das geklärte Zelllysat (mobile Phase) wird auf die Säule mit der positiv geladenen stationären Phase (Anionenaustauschharz) aufgetragen. 2) Negativ geladene Moleküle der Probe binden an das Harz; nicht bzw. schwach gebundene Komponenten (Salze, Proteinreste) eluieren früh. 3) Die Elution beginnt: Ein Puffer mit steigender Salzkonzentration wird zugegeben. Die gelösten Ionen (z. B. Na⁺ und Cl⁻) konkurrieren mit den gebundenen Molekülen um die Bindungsstellen. Bei niedrigen bis mittleren Salzkonzentrationen eluieren vor allem kurze und/oder einzelsträngige RNA-Fragmente. 4) Plasmid-DNA eluiert erst bei höheren Salzkonzentrationen aufgrund ihrer hohen, gleichmäßig verteilten negativen Ladungsdichte. Endotoxine (LPS) binden sehr stark an die Matrix, was grundsätzlich vorteilhaft aus Sicht der Produktreinigung ist. Problematisch sind lediglich jene Anteile, die aufgrund unspezifischer Wechselwirkungen oder Assoziation mit DNA gemeinsam mit der Plasmid-DNA eluieren können.
Nach der Anionenaustauschchromatographie liegt die Plasmid-DNA in hoher Reinheit vor. Das Produkt besteht überwiegend aus superhelikaler Plasmid-DNA und kann geringe Anteile relaxierter Ringformen enthalten. In niedrigen Konzentrationen sind zudem Reste kurzer RNA-Fragmente oder Endotoxine nachweisbar, während zelluläre Makromoleküle und Prozessverunreinigungen größtenteils entfernt wurden.
AEX in der mRNA-Reinigung: Trennung von mRNA und dsRNA
Ausgangslage: Nach in-vitro-Transkription (IVT), enzymatischer Nachbehandlung, Tangentialflussfiltration (TFF) und Poly(dT)-Affinitätschromatographie
Nach diesen vorgelagerten Prozessschritten liegt eine stark angereicherte mRNA-Fraktion vor. Dennoch enthält diese mRNA-Rohlösung typischerweise noch bestimmte Nebenprodukte und Verunreinigungen, die durch die Poly(dT)-Affinität nicht vollständig entfernt werden können, darunter:
(a) doppelsträngige RNA-Nebenprodukte (dsRNA)
(b) RNA:DNA-Hybride (in geringen, prozessabhängigen Anteilen)
(c) fragmentierte mRNA mit verbliebenen Poly(A)-Resten
(d) nicht korrekt gecappte mRNA-Transkripte
(e) Endotoxine (LPS), insbesondere in Assoziation mit Nukleinsäuren
Die nachfolgende Anionenaustauschchromatographie dient daher nicht der weiteren Anreicherung der mRNA, sondern der hochauflösenden Entfernung strukturell ähnlicher RNA-Nebenprodukte.
Prinzip und Ablauf
Stationäre Phase: Die stationäre Phase besteht aus positiv geladenen Anionenaustauschharzen, meist polymeren Kügelchen mit quaternären Ammoniumgruppen. Diese bieten Bindungsstellen für negativ geladene Nukleinsäuren.
Mobile Phase: Die mRNA-Rohlösung wird als mobile Phase auf die Säule aufgetragen. Unter niedriger Salzkonzentration binden die negativ geladenen Nukleinsäuren der Probe an das Harz.
Das Zielmolekül ist die einzelsträngige mRNA. Sie besitzt entlang ihres Rückgrats eine negative Ladung, weist jedoch aufgrund ihrer Einzelsträngigkeit, Sekundärstruktur und Flexibilität eine geringere effektive Ladungsdichte auf als doppelsträngige RNA.
Selektive Elution
Im nächsten Schritt wird ein Elutionspuffer mit ansteigender Salzkonzentration über die Säule geleitet. Die im Puffer enthaltenen Ionen (z. B. Na⁺) konkurrieren mit den gebundenen RNA-Molekülen um die Bindungsstellen des Harzes. Dadurch werden die gebundenen Komponenten in Abhängigkeit von ihrer Bindungsstärke schrittweise eluiert:
Einzelsträngige mRNA eluieren bei niedrigen bis mittleren Salzkonzentrationen, da ihre effektive Ladungsdichte geringer ist.
Doppelsträngige RNA (dsRNA) bindet deutlich stärker an das Anionenaustauschharz und eluiert erst bei höheren Salzkonzentrationen oder verbleibt auf der Säule.
RNA:DNA-Hybride stellen für die chromatographische Reinigung eine besondere Herausforderung dar. Ihre Bindungseigenschaften bewegen sich zwischen denen von einzelsträngiger RNA (ssRNA) und doppelsträngiger RNA (dsRNA). Dieser hybride Charakter ergibt sich nicht nur aus dem RNA:DNA-Duplex selbst, sondern wird zusätzlich durch drei Faktoren bestimmt: der Länge der Hybridregion, dem Anteil freier einzelsträngiger RNA sowie der räumlichen Konformation des Moleküls.

Abb. 1.3.4-B2: Schematische Darstellung der AEX zur Trennung von mRNA und dsRNA
Die Darstellung ist vereinfacht und zeigt jede Komponente exemplarisch nur einmal.1) Die mRNA-haltige Lösung (mobile Phase) – bestehend aus der gewünschten mRNA, dsRNA und anderen Nebenprodukten – wird auf die Säule geleitet. Die stationäre Phase besteht aus einem positiv geladenen Anionenaustauschharz. 2) Unter niedriger Salzkonzentration binden alle negativ geladenen RNA-Moleküle an das Harz. Aufgrund ihrer höheren Ladungsdichte und steiferen Helixstruktur bindet dsRNA stärker als die flexiblere, einzelsträngige mRNA. 3) Durch Zugabe eines Puffers mit ansteigender Salzkonzentration werden konkurrierende Anionen (z.B. Cl⁻) eingeführt. Diese verdrängen die gebundenen RNA-Moleküle schrittweise von der Säule. Zuerst werden schwach gebundene Verunreinigungen wie kurze RNA-Fragmente freigesetzt. 4) Bei niedrigen bis mittleren Salzkonzentrationen eluiert die gewünschte einzelsträngige mRNA. Doppelsträngige RNA verbleibt aufgrund ihrer stärkeren Bindung länger auf der Matrix und eluiert erst bei höheren Salzkonzentrationen oder verbleibt teilweise auf der Säule.
Ergebnis
Die Anionenaustauschchromatographie (AEX) ermöglicht die selektive Abtrennung von mRNA gegenüber stärker oder schwächer gebundenen Nukleinsäurestrukturen wie dsRNA. Damit erhält man eine mRNA-Fraktion, die weitgehend frei von dsRNA-Verunreinigungen und Hybridstrukturen ist.
Die so gereinigte mRNA dient als Ausgangsmaterial für die nachfolgende Formulierung in Lipid-Nanopartikel (LNP).
Zusammenspiel der chromatographischen Schritte zur Reinigung der IVT-mRNA
Die Reinigung von IVT-mRNA beruht nicht auf einem einzelnen Trennverfahren, sondern auf der gezielten Kombination mehrerer chromatographischer Prinzipien mit komplementären Stärken und Limitationen.
Die Poly(dT)-Affinitätschromatographie dient dabei der hochselektiven Anreicherung polyadenylierter mRNA. Sie entfernt effektiv nicht-polyadenylierte Nebenprodukte, Enzyme und niedermolekulare Prozessbestandteile. Aufgrund ihres rein sequenzbasierten Bindungsmechanismus kann sie jedoch strukturell ähnliche RNA-Verunreinigungen nicht vollständig differenzieren. Insbesondere dsRNA, fragmentierte mRNA mit Poly(A)-Resten sowie RNA:DNA-Hybride können gemeinsam mit der Ziel-mRNA ko-eluiert werden.
Die nachgeschaltete Anionenaustauschchromatographie (AEX) adressiert diese Limitation, indem sie die verbleibenden Nukleinsäuren anhand ihrer effektiven Ladungsdichte und Konformation trennt. Einzelsträngige mRNA, doppelsträngige RNA-Nebenprodukte und komplexe RNA-Strukturen zeigen dabei charakteristische, jedoch teilweise überlappende Bindungs- und Elutionsprofile.
RNA:DNA-Hybride nehmen in diesem Kontext eine Sonderstellung ein. Aufgrund ihres hybriden strukturellen Charakters lassen sie sich weder eindeutig der einzel- noch der doppelsträngigen RNA zuordnen. Ihre chromatographische Trennbarkeit hängt stark von der Ausprägung der Hybridregion, dem Anteil freier einzelsträngiger RNA sowie der räumlichen Organisation des Moleküls ab. Entsprechend können RNA:DNA-Hybride je nach Prozessbedingungen teilweise gemeinsam mit der mRNA eluieren oder auf der Säule zurückgehalten werden.
Erst das abgestufte Zusammenspiel von Affinitäts- und Ionenaustauschchromatographie ermöglicht somit eine weitgehende Entfernung der relevanten RNA-Nebenprodukte, ohne die strukturelle Integrität der empfindlichen mRNA zu beeinträchtigen. Gleichzeitig macht dieser Ansatz deutlich, dass die vollständige Eliminierung aller potenziellen Hybrid- und Strukturvarianten technisch anspruchsvoll ist und maßgeblich von der Prozessführung abhängt.
1.3.5. Magnetkügelchen-Reinigung
dT-MBP = Poly(dT)-magnetic bead purification
Ein in den regulatorischen Dokumenten (EMA-EPAR, Abschnitt 2.2, S. 32) beschriebener Ansatz zur Reinigung von PCR-Produkten in Prozess 1 ist der Einsatz von Magnetkügelchen.
Ausgangslage: Nach in-vitro-Transkription (IVT), DNase-I-Behandlung und Filtration
Nach der in-vitro-Transkription (IVT), der enzymatischen Nachbehandlung mit DNase I sowie einer ersten Grobreinigung durch Filtration (UF/DF oder TFF) liegt eine mRNA-haltige Lösung vor. Diese enthält neben der gewünschten mRNA weiterhin verschiedene Nebenprodukte der Transkription, darunter:
(a) verbleibende freie Nukleotide (nur in Spuren)
(b) Proteinreste (z. B. Enzyme oder Proteinfragmente)
(c) RNA-Fragmente mit und ohne Poly(A)-Schwanz
(d) unvollständig gecappte RNA
(e) doppelsträngige RNA (dsRNA), teilweise mit polyadenyliertem Strang
(f) RNA:DNA-Hybride
(g) DNA-Template-Reste (insbesondere kurze Fragmente)
(h) Puffersalze aus vorangegangenen Prozessschritten
Prinzip
Die Magnetkügelchen-Reinigung beruht auf einer sequenzspezifischen Affinitätsbindung. Magnetische Polymerkügelchen sind mit Oligo(dT)-Sequenzen funktionalisiert, die komplementär zur Poly(A)-Schwanzsequenz der mRNA sind.
mRNA-Moleküle mit Poly(A)-Ende binden spezifisch an diese Oligo(dT)-Liganden, während Moleküle ohne Poly(A)-Sequenz in Lösung verbleiben.

Abb. 1.3.5-A: Die mRNA haftet über ihren Poly(A)-Schwanz am Poly(dT) der Magnetkügelchen. Der Ablauf erfolgt in mehreren Schritten:
Bindung: Poly(dT)-funktionalisierte Magnetkügelchen werden zur Lösung gegeben. Polyadenylierte RNA bindet über spezifische A–T-Basenpaarung an die Oberfläche der Kügelchen.
Magnetische Separation: Das Gefäß wird auf ein Magnetrack gestellt. Die Kügelchen mit der gebundenen RNA werden an die Gefäßwand gezogen, sodass die nicht gebundenen Komponenten entfernt werden können.
Waschen: Mehrere Waschschritte reduzieren unspezifisch gebundene Moleküle. Die Waschbedingungen beeinflussen die Stringenz der Bindung, erlauben jedoch keine vollständige Abtrennung von dsRNA oder RNA:DNA-Hybriden, sofern diese polyadenylierte RNA enthalten.
Elution: Durch geeignete Elutionsbedingungen (z. B. veränderte Salzstärke oder Temperatur) wird die gebundene RNA von den Kügelchen gelöst und in Lösung überführt.

Abb. 1.3.5-B: Ablauf der Magnetkügelchen-Reinigung
Die Darstellung ist vereinfacht und zeigt jede Komponente exemplarisch nur einmal.1) Zugabe der Magnetkügelchen: Poly(dT)-funktionalisierte Magnetkügelchen werden zur Lösung gegeben, die die polyadenyliertemRNA enthält.
2) Durchmischen: Die Probe wird durch sanftes Schwenken oder kurzes Drehen gemischt. Dabei hybridisiert polyadenylierte RNA an die Poly(dT)-Sequenzen der Magnetkügelchen über A–T-Basenpaarung.
3) Magnetische Separation und entfernen des Überstands: Das Gefäß wird auf ein Magnetrack gestellt. Die Magnetkügelchen mit gebundener RNA werden von der Seitenwand des Röhrchens angezogen und bilden dort ein kompaktes Bead-Aggregat. Der flüssige Überstand wird vorsichtig abpipettiert. Er enthält nicht-gebundene Moleküle wie DNA-Fragmente, kurze RNA-Stücke, dsRNA ohne Poly(A)-Tail, Pufferbestandteile usw.
4) Waschschritte: Der Magnet bleibt angelegt. Waschpuffer wird zugegeben, um lose gebundene oder unspezifisch adsorbierte Verunreinigungen zu entfernen. Der Waschpuffer wird kurz gemischt (leichtes Schwenken), danach zieht der Magnet die Beads erneut an die Wand. Dieser Schritt wird 2–3 Mal wiederholt, bis lose gebundene oder unspezifisch assoziierte Komponenten weitgehend entfernt sind.
5) Elution der mRNA: Nach dem Entfernen des letzten Waschpuffers wird der Magnet kurz entfernt. Ein Elutionspuffer (z. B. Wasser mit geringer Salzkonzentration) oder leicht erhöhte Temperatur löst die Hybridisierung zwischen polyadenylierter RNA und Poly(dT)-Oligos. Die RNA geht dabei wieder in Lösung über.
6) Rückkehr auf den Magnetseparator: Das Röhrchen wird erneut auf den Magnet gestellt, sodass die Magnetkügelchen am Rand fixiert werden. Der Überstand enthält jetzt die angereicherte polyadenylierte RNA im Elutionspuffer und wird vorsichtig in ein neues, steriles Gefäß überführt.Hinweis: dsRNA, RNA:DNA-Hybride oder fragmentierte RNA mit Poly(A)-Anteilen können während der Magnetkügelchen-Reinigung ko-eluiert werden.
Trennleistung und Limitierungen
Die Magnetkügelchen-Reinigung ist hochselektiv für polyadenylierte RNA, weist jedoch inhärente Einschränkungen auf:- dsRNA-Nebenprodukte können ko-eluieren, insbesondere wenn sie Poly(A)-Sequenzen enthalten oder strukturell an mRNA assoziiert sind
- RNA:DNA-Hybride werden mitisoliert, sofern die RNA-Komponente polyadenyliert ist
- fragmentierte mRNA mit erhaltenem Poly(A)-Rest bindet ebenfalls an die Kügelchen
- intramolekulare Doppelstrangstrukturen innerhalb der mRNA werden nicht selektiv entfernt
Aus diesen Gründen stellt die Magnetkügelchen-Reinigung keinen vollständigen Reinigungsprozess, sondern eine Anreicherungs- und Vorreinigungsstufe dar.
Nachgeschaltete Reinigung
Da dsRNA und RNA:DNA-Hybride mit Poly(A)-Anteilen während der Magnetkügelchen-Reinigung ko-eluieren können, ist in der Regel ein weiterer Reinigungsschritt erforderlich. Häufig wird hierfür eine Anionenaustauschchromatographie (AEX) oder ein vergleichbares hochauflösendes Trennverfahren eingesetzt.Einordnung im Herstellungsprozess
Die Poly(dT)-basierte Magnetkügelchen-Reinigung wird vor allem im Labormaßstab, in der Prozessentwicklung sowie bei kleineren Produktionsvolumina eingesetzt. Für großtechnische Herstellungsprozesse (Prozess 2) ist sie hingegen weniger praktikabel, da die Magnetkraft in größeren Volumina an Effizienz verliert und die Handhabung komplexer wird. Daher kommen in der industriellen Produktion überwiegend skalierbare chromatographische Verfahren zum Einsatz. Weitere Details zur Anwendung finden sich in den Herstellerinformationen von Thermo Fisher Scientific.
1.4. Vergleich: Prozess 1 vs. Prozess 2
Die folgende Übersicht stellt die beiden Herstellungsverfahren gegenüber: welche Ausgangsmaterialien und Nebenprodukte in den einzelnen Phasen anfallen und mit welchen Methoden sie typischerweise entfernt werden.
Typische Schritte – unterschiedlich je nach Hersteller:
Merkmal
Prozess 1 – PCR-basiert
Prozess 2 – Plasmid-basiert
Art des Verfahrens
Laborprozess
(kleine Mengen, flexibel)Industrieller Prozess
(große Mengen)
DNA-Template
Minimalistisch.
enthält nur die relevanten Elemente für die IVT:
• T7-Promotor
• 5′-UTR
• Spike-Gen
• 3′-UTR
• Poly(A)-SequenzKomplex.
und zusätzliche Elemente für die Vermehrung in E. coli:
• Origin of Replication (ORI)
• Antibiotikaresistenzgen
• regulatorische bakt. Sequenzen
• Multiple Cloning Site (MCS)
• SV40-Sequenzelemente
(bei Pfizer/BNT)
Aufbau des DNA-Templates
[T7] – [5′-UTR] – [Spike-Gen] – [3′-UTR] – [AAAAA…]
[ORI] – [Resistenzgen] – [reg. bakt. Sequenzen] – [MCS] – [SV40] – [T7] – [5′-UTR] – [Spike-Gen] – [3′-UTR] – [AAAAA…]
Amplifikation der DNA
PCR-Vervielfältigung
Plasmid-Vermehrung in E. coli (Bioreaktor)
Vorbereitung vor der IVT
/
Lyse der Bakterien: Freisetzung von Plasmid-DNA + Bakterienresten
Linearisierung: Restriktionsenzym schneidet Plasmid an def. Stelle
Verunreinigungen vor IVT
PCR-Fragmente: Enzyme, Primer, Salze, Nukleotide
Bakterienbestandteile: Wirts-DNA, RNAs, Proteine, Endotoxine, Lipide, Zellwandfragmente, …
Reinigung
der PCR-DNA
der Plasmid-DNA (pDNA)
Methoden
Silica-Bindung, UF/DF
TFF + mehrstufige Chromatographie
Aufwand
moderat
hoch
IVT (in-vitro-Transkription)
Template: PCR-DNA
Expressionskassette:
[T7] – [5′-UTR] – [Spike-Gen] – [3′-UTR] – [AAAAA…]
→ mRNA wird synthetisiertTemplate: Linearisierte pDNA
Expressionskassette:
[T7] – [5′-UTR] – [Spike-Gen] – [3′-UTR] – [AAAAA…]
→ mRNA wird synthetisiert
IVT-Prozessierung
5′-Cap und Poly(A)-Tail werden je nach Verfahren während oder unmittelbar nach der IVT erzeugt
→ Ergebnis: funktionsfähige mRNA5′-Cap und Poly(A)-Tail werden je nach Verfahren während oder unmittelbar nach der IVT erzeugt
→ Ergebnis: funktionsfähige mRNA
Verunreinigungen nach IVT (*)
Entfernung von IVT-Nebenprodukten: Template-DNA, RNA-Fragmente, RNA:DNA-Hybride, doppelsträngige RNA (dsRNA), Enzyme, Salze, freie Nukleotide
Entfernung von IVT-Nebenprodukten + Entfernung zusätzlicher plasmid- und bakterienstämmiger Verunreinigungen (anspruchsvoller)
Reinigung
der mRNA
der mRNA
Vorbelastung
gering – moderat
hoch
Methoden
▪️DNase-I-Behandlung
▪️Fällung oder Zentrifugation
▪️UF/DF oder TFF
▪️Magnetkügelchen-Reinigung (**)▪️DNase-I-Behandlung
▪️Proteinase K-Behandlung (**)
▪️UF/DF und/oder TFF (**)
▪️mehrstufige Chromatographie
Aufwand
moderat
hoch
Formulierung in LNPs
mRNA wird in Lipidnanopartikel verpackt
mRNA wird in Lipidnanopartikel verpackt
Sterile Filtration
entfernt mikrobielles Kontaminationsrisiko
entfernt mikrobielles Kontaminationsrisiko
Abfüllung
aseptisches Verschließen und Etikettieren
aseptisches Verschließen und Etikettieren
Vorteile
sehr schnell, hochflexibel
extrem skalierbar, kostengünstige Massenproduktion
Nachteile
PCR-basierte Verfahren sind für großskalige industrielle Produktionsmengen nur eingeschränkt geeignet
Template enthält viele bakterielle Elemente → Reinigungsaufwand deutlich höher
(*) Obwohl die post-IVT-Reaktionsmischungen für Prozess 1 und 2 auf den ersten Blick ähnlich erscheinen, unterscheidet sich ihre „Vorbelastung“ qualitativ. Mit Vorbelastung ist die Menge und Komplexität der vor der Reinigung vorhandenen Begleitstoffe gemeint. Plasmidbasierte Prozesse bringen strukturell komplexere DNA-Formen, eine erhöhte Neigung zur Hybridbildung sowie Spuren bakterienstämmiger Begleitstoffe mit sich, die auch nach DNase-Behandlung die nachfolgende mRNA-Aufreinigung anspruchsvoller machen.
(**) Informationen zum Herstellungsverfahren laut EMA „EPAR zum Covid-19-Impfstoff von BioNTech/Pfizer“ (in Abschnitt 2.2., Seite 32)
Begriffserklärungen:
T7-Promotor – Startsignal für die Transkription
5′-UTR – stabilisiert die mRNA
Spike-Gen – Bauplan für das Protein
3′-UTR – Stopp-Signal und Stabilisierung
Poly(A)-Sequenz – schützt vor vorzeitigem AbbauUTR steht für untranslated region – also einen Bereich der mRNA, der nicht in Protein übersetzt wird. Diese Abschnitte liegen vor dem Start der Proteininformation (5′-UTR) und nach dem Ende (3′-UTR). Sie übernehmen wichtige regulatorische Aufgaben.
Origin of Replication (ORI) – Startpunkt der Plasmid-Vervielfältigung
Antibiotikaresistenzgen – ermöglicht Selektion in E. coli
regulatorische bakterielle Sequenzen zur Expression des Resistenzgens
Multiple Cloning Site (MCS) – kurze Region mit Schnittstellen zum Einfügen der Zielsequenz
SV40-Sequenzelemente – regulatorische virale Sequenzen für bestimmte Anwendungen in eukaryotischen Zellkulturen (bei Pfizer/BNT)
1.5. Zusammenfassung: Herstellung und Reinigung von modRNA
Die Herstellung modifizierter mRNA für therapeutische und prophylaktische Anwendungen ist ein mehrstufiger Prozess, der weit über die eigentliche in-vitro-Transkription hinausgeht. Ziel ist es, aus einer komplexen Reaktionsmischung ein möglichst homogenes, funktionell aktives RNA-Molekül zu gewinnen, das in Zellen effizient translatiert wird und dabei nur eine kontrollierte, gewünschte Immunantwort auslöst.
Vom DNA-Template zur mRNA-Rohlösung
Ausgangspunkt der Produktion ist eine definierte DNA-Vorlage, die im Rahmen der in-vitro-Transkription als Template für die RNA-Synthese dient. Bereits in diesem frühen Schritt entstehen neben der gewünschten mRNA zwangsläufig verschiedene Nebenprodukte, darunter verkürzte Transkripte, doppelsträngige RNA-Strukturen, RNA:DNA-Hybride sowie nicht korrekt verarbeitete RNA-Moleküle. Diese Nebenprodukte sind keine Ausnahme, sondern eine bekannte Konsequenz der enzymatischen Transkription unter technischen Bedingungen.
Nach Abschluss der Transkription wird die DNA-Vorlage in der Regel enzymatisch verdaut. Es folgt eine erste Grobreinigung, beispielsweise durch Filtration oder Tangentialflussfiltration, bei der kleine Moleküle, überschüssige Reagenzien und Enzyme entfernt werden. Zu diesem Zeitpunkt liegt eine konzentrierte mRNA-haltige Lösung vor, die jedoch weiterhin strukturell heterogen ist.
Anreicherung der Ziel-mRNA
Um die gewünschte mRNA gezielt anzureichern, werden poly(A)-basierte Affinitätsverfahren eingesetzt. Dazu zählen sowohl klassische Poly(dT)-Chromatographie als auch poly(dT)-funktionalisierte Magnetkügelchen. Diese Methoden nutzen die Poly(A)-Sequenz der mRNA als Selektionsmerkmal und erlauben eine effektive Abtrennung nicht-polyadenylierter RNA-Fragmente und vieler Begleitstoffe.
Gleichzeitig wird hier eine zentrale Grenze dieser Verfahren sichtbar: Alles, was eine Poly(A)-Sequenz trägt oder strukturell an polyadenylierte RNA gebunden ist, kann mitisoliert werden. Dazu zählen fragmentierte mRNA-Moleküle, bestimmte dsRNA-Nebenprodukte sowie RNA:DNA-Hybride, sofern die RNA-Komponente polyadenyliert ist. Poly(A)-basierte Verfahren sind daher hochselektive Anreicherungs-, aber keine vollständigen Reinigungsmethoden.
Hochauflösende Trennung durch Chromatographie
Um die verbleibende strukturelle Vielfalt weiter zu reduzieren, kommen hochauflösende Trennverfahren zum Einsatz, insbesondere die Anionenaustausch-Chromatographie (AEX). Diese nutzt Unterschiede in der effektiven Ladungsdichte und Konformation von Nukleinsäuren, um einzelsträngige mRNA von stärker gebundenen Nebenprodukten wie dsRNA zu trennen.
Die AEX stellt einen entscheidenden Schritt dar, um immunologisch besonders aktive Verunreinigungen gezielt abzureichern. Gleichzeitig zeigt sich auch hier, dass bestimmte Molekülklassen – insbesondere RNA:DNA-Hybride – keine einheitlichen chromatographischen Eigenschaften besitzen und je nach Struktur unterschiedlich eluieren können. Ihre vollständige Entfernung erfordert daher eine sorgfältige Prozessauslegung und gegebenenfalls die Kombination mehrerer Reinigungsschritte.
Einordnung und Ausblick
Insgesamt zeigt sich, dass die Herstellung modifizierter mRNA kein linearer „Rein-Raus-Prozess“ ist, sondern ein fein abgestimmtes Zusammenspiel aus enzymatischen, physikalischen und chromatographischen Verfahren. Jeder Reinigungsschritt reduziert die Komplexität der Probe, erreicht jedoch nie eine absolute Trennung aller theoretisch möglichen Nebenprodukte.
Vor diesem Hintergrund ist es fachlich sinnvoll, nicht nur das Endprodukt, sondern auch die Herstellungs- und Reinigungslogik selbst zu betrachten, wenn über mögliche Restbestandteile wie DNA-Fragmente oder RNA-assoziierte Verunreinigungen diskutiert wird. Die Frage ist dabei weniger, ob solche Restkomponenten prinzipiell entstehen können, sondern in welchen Formen, in welchen Mengen und mit welcher biologischen Relevanz sie im Endprodukt verbleiben.
Damit rückt die zentrale Frage in den Fokus, wie verbleibende Nukleinsäurebestandteile – insbesondere mögliche DNA-Rückstände – zuverlässig nachgewiesen und quantifiziert werden können.
Der zweite Teil behandelt daher die analytischen Nachweisverfahren, regulatorischen Grenzwerte sowie die bisher veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zu DNA-Rückständen in mRNA-basierten Impfstoffen.
Weiterführender Teil der Artikelserie
Teil 2: Nachweisverfahren und Studienlage
Stand: Mai 2026
-
DNA-Rückstände in modRNA-basierten Impfstoffen – Teil 2

Leitfaden zur Artikelserie
Teil 1: Herstellung und Reinigung von modRNA
Teil 2: Nachweisverfahren und StudienlageNach der Darstellung der Herstellungs- und Reinigungsprozesse im ersten Teil richtet sich der Blick nun auf die analytische Ebene der Diskussion. Denn die Frage, ob und in welcher Menge DNA-Rückstände in modRNA-basierten Impfstoffen vorhanden sind, hängt entscheidend davon ab, mit welchen Methoden diese überhaupt untersucht werden.
Der Nachweis residualer Nukleinsäuren ist methodisch anspruchsvoll. Unterschiedliche Aufschlussverfahren, Extraktionsmethoden und Analyseplattformen können zu deutlich abweichenden Ergebnissen führen. Damit wird nicht nur die Interpretation einzelner Studien komplex, sondern bereits die grundlegende Frage, was eine Messung unter den jeweiligen Bedingungen tatsächlich erfasst.
Der zweite Teil widmet sich daher den wichtigsten analytischen Nachweisverfahren für DNA und RNA, ihren methodischen Grenzen sowie den bisher veröffentlichten unabhängigen Untersuchungen zu DNA-Rückständen in modRNA-basierten Impfstoffen. Dabei stehen insbesondere die Aussagekraft der verwendeten Methoden und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse im Mittelpunkt.
Hinweis
📑
Im allgemeinen Sprachgebrauch ist der Begriff „mRNA-Impfstoff“ gebräuchlich. Fachlich handelt es sich bei den derzeit zugelassenen Präparaten um nukleosid-modifizierte mRNA (modRNA). Aus Gründen der Verständlichkeit wird in dieser Arbeit dennoch der etablierte Begriff „mRNA-Impfstoff“ verwendet.Inhaltsverzeichnis
2. Methoden zur Messung von DNA und RNA
3. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen
4. Studien zu DNA-Rückständen in modRNA-basierten Impfstoffen
5. Schlussbetrachtung und Ausblick

2. Methoden zur Messung von RNA und DNA
Die analytische Erfassung von RNA-Konzentration und potenziellen DNA-Rückständen stellt einen zentralen Bestandteil der Qualitätskontrolle mRNA-basierter Arzneimittel dar. Während der Herstellungs- und Reinigungsprozesse entstehen komplexe Nukleinsäuregemische, deren Zusammensetzung durch geeignete Messverfahren charakterisiert und überwacht werden muss. Ziel ist es, sowohl die Integrität und Menge der gewünschten mRNA als auch mögliche Restbestandteile wie DNA-Fragmente zuverlässig zu erfassen.
Dabei existiert kein einzelnes Verfahren, das alle analytischen Fragestellungen gleichermaßen abdeckt. Vielmehr unterscheiden sich die verfügbaren Methoden hinsichtlich Sensitivität, Spezifität, Quantifizierbarkeit und struktureller Auflösung. Einige Verfahren ermöglichen eine schnelle Bestimmung der Gesamtnukleinsäurekonzentration, andere erlauben die selektive Detektion spezifischer DNA-Sequenzen oder sogar die direkte Sequenzanalyse einzelner Moleküle.
Vor diesem Hintergrund werden im Folgenden verschiedene methodische Ansätze systematisch dargestellt – beginnend mit grundlegenden spektralphotometrischen Verfahren, über fluoreszenzbasierte Quantifizierungsmethoden und amplifikationsgestützte Nachweisverfahren bis hin zu sequenzierungsbasierten Technologien. Die Darstellung folgt dabei einer zunehmenden analytischen Auflösung: von der globalen Konzentrationsmessung hin zur sequenzspezifischen Identifikation einzelner Nukleinsäurebestandteile.
Neben dem Funktionsprinzip der jeweiligen Methode werden auch deren Nachweisgrenzen und methodische Einschränkungen berücksichtigt, da diese für die Einordnung möglicher Rest-DNA-Befunde von entscheidender Bedeutung sind.
2.1. Spektralphotometrische Verfahren
2.2. Fluoreszenzbasierte Quantifizierung
2.3. Amplifikationsbasierte Methoden
2.4. Sequenzierungsbasierte Verfahren
2.5. Elektrophoretische Fragmentanalyse
2.6. Vergleich zentraler Nachweisverfahren für Nukleinsäuren
2.1. Spektralphotometrische Verfahren
Spektralphotometrische Verfahren beruhen auf der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Gemessen wird die Lichtintensität – vor und nach dem Durchgang durch eine Probe – in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Aus der gemessenen Absorption lässt sich unter definierten Bedingungen auf die Konzentration der enthaltenen Substanzen schließen.
Die UV/Vis-Spektrophotometrie stellt eine etablierte Methode zur Bestimmung der Gesamtnukleinsäurekonzentration dar und wird in mehreren Phasen der mRNA-Herstellung eingesetzt. Sie zeichnet sich durch eine schnelle Durchführung, geringen Probenverbrauch und vergleichsweise niedrige Kosten aus.
Wann wird die Photometrie eingesetzt?
Im Herstellungsprozess lassen sich typischerweise drei relevante Messzeitpunkte unterscheiden:
Nach der in-vitro-Transkription: zur Abschätzung, ob die Transkriptionsreaktion erfolgreich war und welche Gesamtausbeute an Nukleinsäure erzielt wurde.
Nach der Aufreinigung: als rascher Kontrollschritt zur Überprüfung, ob die mRNA-Konzentration im erwarteten Bereich liegt.
Vor der Formulierung: Vor der Verkapselung in Lipid-Nanopartikel wird die mRNA-Konzentration erneut bestimmt, da das Mischungsverhältnis zwischen Lipiden und mRNA entscheidend für die Partikelbildung ist.
Es ist zu beachten, dass die Methode nicht zwischen RNA und DNA unterscheiden kann und daher primär eine orientierende Gesamtkonzentrationsbestimmung darstellt.
Typischer Ablauf im Herstellungsprozess
Nach der Aufreinigung der mRNA und vor der LNP-Formulierung wird die mRNA-Wirkstoffcharge einer Konzentrationsbestimmung unterzogen. Hierzu wird unter kontrollierten Bedingungen eine kleine Probe aus dem Prozessbehälter entnommen.
Für die Messung stehen zwei Gerätetypen zur Verfügung, die sich in ihrer Handhabung unterscheiden:
UV/Vis-Spektralphotometer: Die Probe wird in eine Küvette gefüllt – ein kleines, meist rechteckiges Gefäß aus UV-durchlässigem Material (z. B. Quarzglas). Die Küvette wird in das Gerät gestellt, wo die Messung stattfindet.
Mikrovolumen-Spektralphotometer (z. B. NanoDrop): Ein winziger Tropfen (0,5–2,0 µl) wird direkt auf einen Messsockel pipettiert. Ein zweiter (umgeklappter) Sockel bildet durch Oberflächenspannung eine definierte Flüssigkeitssäule zwischen den beiden Messflächen. Der große Vorteil: Es werden weder Küvetten noch nennenswerte Probenmengen benötigt. Diese Geräte werden häufig für DNA- und RNA-Messungen eingesetzt.
Unabhängig vom Gerätetyp dauert die eigentliche spektralphotometrische Analyse nur wenige Sekunden. Unmittelbar nach dem Messvorgang wird das Ergebnis auf dem Bildschirm angezeigt.

Abb. 2.1-A: UV/Vis-Spektralphotometer vs Mikrovolumen-Spektralphotometer Der Weg des Lichts im Spektralphotometer
1️⃣ Lichterzeugung: Als Lichtquelle dient eine breitbandige UV/Vis-Lampe, beispielsweise eine Xenon-Blitzlampe, die kurze, intensive Lichtblitze aussendet und das gesamte UV- und sichtbare Spektrum abdeckt.
2️⃣ Wellenlängenselektion: Das Licht wird durch den Eintrittsspalt in den Monochromator geleitet und dort durch ein bewegliches Beugungsgitter in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Um die Konzentration der mRNA zu bestimmen, wird das Gitter so eingestellt, dass Licht mit einer Wellenlänge von 260 nm – dem Absorptionsmaximum der Nukleinsäuren – auf die Probe trifft.
3️⃣ Lichtführung zur Probe: Über ein System von Spiegeln und Linsen wird der monochromatische Lichtstrahl gebündelt und präzise auf die Probe gerichtet – entweder auf die Küvette oder direkt auf den hängenden Probentropfen.
4️⃣ Wechselwirkung mit der Probe: Ein Teil des Lichts wird von den Nukleinsäuremolekülen absorbiert (verschluckt), der Rest transmittiert (durchdringt) die Probe.
5️⃣ Detektion: Das transmittierte Licht trifft auf einen Detektor (z. B. eine Photodiode oder ein CCD-Sensor), der die ankommende Lichtintensität misst.
6️⃣ Berechnung: Das Gerät vergleicht die gemessene Intensität mit der Intensität des ursprünglich eingestrahlten Lichts (Referenzmessung ohne Probe). Aus dem Verhältnis von eingestrahlter zu transmittierter Lichtintensität berechnet das Gerät gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz die Absorbanz, aus der sich bei bekannter Schichtdicke die Konzentration der Nukleinsäuren in der Probe bestimmen lässt.

Abb. 2.1-B: Schematische Darstellung der UV/Vis-Spektralphotometer Warum absorbieren RNA und DNA bei 260 nm?
Die Absorption von UV-Licht bei 260 nm ist eine charakteristische Eigenschaft der Basen – jener „Buchstaben“, aus denen der genetische Code besteht. Da diese Basen in RNA und DNA nahezu identisch sind, weisen beide Moleküle ein sehr ähnliches Absorptionsverhalten auf.
Das Geheimnis liegt in ihrer chemischen Struktur: Die Basen enthalten sogenannte aromatische Ringe. In diesen Ringen sitzen die Elektronen nicht an festen Positionen zwischen zwei Atomen, sondern sind über das gesamte Ringsystem verteilt. Man kann sich diese „delokalisierten Elektronen“ wie eine Art Elektronenwolke vorstellen, die über dem Molekül schwebt.

Abb. 2.1-C: Die molekularen Bausteine der Nukleinsäuren Die Darstellung zeigt die zwei Typen von Basen: die größeren Doppelringe (Purine: A und G) und die kleineren Einzelringe (Pyrimidine: C, T und U). Trotz ihrer unterschiedlichen Größe besitzen beide Typen ein System aus abwechselnden Doppelbindungen. Dieses sorgt dafür, dass die Elektronen über das gesamte Ringsystem verteilt sind und so eine gemeinsame Wolke bilden.
Wenn nun ein Photon (ein Lichtteilchen) mit einer Wellenlänge von etwa 260 nm auf diese Wolke trifft, passt dessen Energie exakt zu den energetischen Eigenschaften der Elektronen in diesen Ringen. Ein Elektron nimmt die Energie des Photons vollständig auf und springt dadurch auf ein höheres Energieniveau – den sogenannten angeregten Zustand. Die Energie des Photons wird dabei vollständig auf das Elektron übertragen, sodass es nicht mehr als Lichtteilchen weiterexistiert – man spricht von Absorption.
Da sowohl RNA als auch DNA aus denselben Basentypen bestehen (mit der Ausnahme von Uracil statt Thymin), zeigen beide Molekülarten ein nahezu identisches Verhalten im UV-Licht. Die Spektrophotometrie erlaubt daher keine direkte Unterscheidung zwischen RNA und DNA.
Bedeutung für die Bewertung von DNA-Rückständen
Die dargestellten physikalischen Grundlagen erklären zugleich eine zentrale Limitation der UV-Spektrophotometrie: Da die Absorption bei etwa 260 nm auf den gemeinsamen Basenstrukturen von RNA und DNA beruht, erfasst die Methode ausschließlich die Gesamtmenge an Nukleinsäuren in einer Probe. Eine Differenzierung zwischen therapeutischer mRNA und eventuell verbliebenen DNA-Restfragmenten ist auf dieser Grundlage nicht möglich.
Für die quantitative Bestimmung spezifischer DNA-Rückstände sind daher analytische Verfahren erforderlich, die entweder selektiv doppelsträngige DNA erfassen oder definierte Zielsequenzen amplifizieren. In der Praxis stehen hierbei insbesondere fluorometrische DNA-Methoden (z. B. Qubit-Technologien) sowie die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) im Mittelpunkt.
Die Diskussion um geeignete Nachweismethoden für DNA-Rückstände konzentriert sich daher weniger auf photometrische Verfahren, sondern primär auf molekularbiologische und fluoreszenzbasierte Techniken.
2.2. Fluoreszenzbasierte Quantifizierung
2.2.1. DNA-/RNA-spezifische Farbstoffe
a) Wirkmechanismus von PicoGreen
b) Warum PicoGreen bevorzugt doppelsträngige DNA erfasst
c) Grenzen der PicoGreen-Methode
2.2.2. Qubit-SystemeIm Gegensatz zur UV-Spektrophotometrie, bei der die Abschwächung eines eingestrahlten Lichtstrahls gemessen wird, beruhen fluoreszenzbasierte Verfahren auf der gezielten Anregung spezifischer Moleküle und der anschließenden Messung des von ihnen ausgesandten Lichts. (Oder einfacher formuliert: Während die UV-Spektrophotometrie feststellt, wie viel Licht „verschwindet“, misst die Fluoreszenz nicht den Schatten, sondern das Leuchten.)
Dabei wird der Probe ein Fluoreszenzfarbstoff zugesetzt, der selbst kaum oder gar nicht fluoresziert. Erst nach Bindung an eine Zielstruktur – beispielsweise doppelsträngige DNA oder RNA – ändert sich seine räumliche Anordnung, sodass er nach Anregung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge ein charakteristisches Fluoreszenzsignal aussendet. Die Intensität dieses emittierten Lichts ist proportional zur Menge der gebundenen Nukleinsäure.
Das entscheidende Merkmal fluoreszenzbasierter Verfahren ist ihre Selektivität: Durch geeignete Farbstoffe lassen sich gezielt bestimmte Nukleinsäuretypen erfassen, während andere Bestandteile der Probe weitgehend unbeachtet bleiben. Dadurch wird eine deutlich spezifischere Quantifizierung möglich als mit der unspezifischen UV-Absorption bei 260 nm.
Insbesondere bei niedrigen Konzentrationen – etwa bei der Bestimmung von DNA-Rückständen in mRNA-Präparationen – bieten fluoreszenzbasierte Methoden eine wesentlich höhere Sensitivität.
2.2.1. DNA-/RNA-spezifische Farbstoffe
Die Grundlage fluoreszenzbasierter Quantifizierung bilden Nukleinsäure-bindende Farbstoffe, die selektiv mit DNA oder RNA interagieren.
Doppelstrang-DNA-spezifische Farbstoffe
Ein häufig eingesetzter DNA-spezifischer Farbstoff ist PicoGreen. Dieser bindet bevorzugt an doppelsträngige DNA. In freier Lösung zeigt PicoGreen nur eine sehr geringe Eigenfluoreszenz. Erst nach Bindung an die DNA steigt seine Fluoreszenzintensität stark an. Dadurch wird die Quantifizierung selbst sehr geringer DNA-Mengen möglich.
RNA-spezifische Farbstoffe
Für RNA wird häufig RiboGreen verwendet. Auch dieser Farbstoff zeigt erst nach Bindung an RNA ein deutliches Fluoreszenzsignal.
Die unterschiedliche Bindungsaffinität der Farbstoffe erlaubt eine weitgehend selektive Erfassung der jeweiligen Nukleinsäureart.
Das Messprinzip folgt dabei stets demselben Schema:
- Zugabe eines spezifischen Farbstoffs zur Probe
- Bindung des Farbstoffs an die Zielnukleinsäure
- Anregung mit Licht definierter Wellenlänge (λEX – Excitation)
- Messung der emittierten Fluoreszenz (λEM – Emission)
- Vergleich mit einer Kalibrationsreihe bekannter Konzentrationen
Da nur gebundener Farbstoff ein starkes Signal erzeugt, bleibt der Hintergrund gering. Dies erklärt die hohe Empfindlichkeit dieser Methode im Vergleich zur UV-Spektrophotometrie.

Abb. 2.2.1-A: Schematische Darstellung der DNA-Quantifizierung mittels Fluorometrie 1) Nach Zugabe des Fluoreszenzfarbstoffs (z. B. PicoGreen) erfolgt eine bevorzugte Bindung an doppelsträngige DNA (dsDNA).
2) Die Probe wird mit kurzwelligem, energiereichem Licht einer definierten Wellenlänge (λEX ≈ 480 nm, blau) bestrahlt, wodurch die Farbstoffmoleküle in einen angeregten Zustand versetzt werden.
3) Bei der Rückkehr in den Grundzustand emittiert der gebundene Farbstoff längerwelliges Licht (λEM ≈ 520 nm, grün). Die gemessene Fluoreszenzintensität ist im linearen Messbereich proportional zur vorhandenen DNA-Konzentration in der Probe. Da freier Farbstoff nur eine sehr geringe Eigenfluoreszenz aufweist, entsteht ein deutliches Signal hauptsächlich durch DNA-gebundene Moleküle.Die Quantifizierung erfolgt über den Vergleich der Signalintensität mit einer Standardreihe bekannter DNA-Konzentrationen.
a) Wirkmechanismus von PicoGreen
PicoGreen ist ein Fluoreszenzfarbstoff mit hoher Affinität zu doppelsträngiger DNA (dsDNA). Seine besondere Empfindlichkeit beruht darauf, dass er im freien Zustand fast nicht leuchtet – nach Bindung an DNA jedoch sehr stark fluoresziert.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Zuständen (frei/gebunden) ist entscheidend für die analytische Anwendung.
Freies PicoGreen in Lösung
In wässriger Lösung ist das Molekül beweglich:
- Es kann sich drehen und biegen.
- Seine aromatischen Ringsysteme sind gegeneinander beweglich.
- Es stößt ständig mit Wassermolekülen zusammen.
Wird das Molekül durch Licht angeregt, nimmt es Energie auf. Im freien Zustand geht diese Energie jedoch größtenteils nicht als Licht verloren, sondern wird durch molekulare Bewegungen und Wechselwirkungen mit dem Wasser in Wärme umgewandelt. Die Folge: Die Eigenfluoreszenz ist sehr gering. Freies PicoGreen bleibt nahezu „dunkel“.
Annäherung an die doppelsträngige DNA
PicoGreen trägt positive Ladungen. Das Rückgrat der DNA ist aufgrund seiner Phosphatgruppen negativ geladen. Dadurch entsteht eine elektrostatische Anziehung zwischen Farbstoff und DNA. Das Molekül lagert sich bevorzugt an doppelsträngige DNA (dsDNA) an – insbesondere an Bereiche, in denen zwei DNA-Stränge eng beieinanderliegen. Diese erste Annäherung ist die Voraussetzung für eine stabilere Bindung.

Abb. 2.2.1-B: Schematische Darstellung der Struktur von PicoGreen und dsDNA
(nicht maßstabsgetreu)Links ist die vereinfachte Struktur des Fluoreszenzfarbstoffs PicoGreen dargestellt. Die sechseckigen und fünfeckigen Ringe in der Struktur stehen für die aromatischen Ringsysteme – das sind besonders stabile, flache Molekülbausteine, die UV-Licht einfangen können. Zudem besitzt der Farbstoff positiv geladene Seitenarme.
Rechts ist die doppelsträngige DNA mit negativ geladenem Zucker-Phosphat-Rückgrat gezeigt. Die elektrostatische Anziehung zwischen den positiven Seitenarmen des Farbstoffs und dem negativen Rückgrat der DNA bringt den Farbstoff zunächst in die Nähe der DNA.Bindung und Fixierung
Nach der Bindung wird das Molekül in seiner Beweglichkeit stark eingeschränkt:
- Es kann sich kaum noch drehen oder verbiegen.
- Teile des Moleküls liegen geschützt zwischen oder nahe den Basenpaaren.
- Der direkte Kontakt mit Wasser wird teilweise reduziert.
Die DNA wirkt dabei gewissermaßen wie eine Halterung, die das Molekül in einer festen Position stabilisiert.
Warum die Fluoreszenz nun stark zunimmt
Durch diese Fixierung verändern sich die Energieverluste des Moleküls: Im freien Zustand geht ein Großteil der aufgenommenen Energie durch Bewegung verloren. Im gebundenen Zustand sind diese Bewegungen stark eingeschränkt.
Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die aufgenommene Energie als Licht abgegeben wird – also als Fluoreszenz. Das Ergebnis ist ein deutlich stärkeres Signal.
Der Unterschied zwischen freiem und DNA-gebundenem PicoGreen ist so groß, dass selbst sehr geringe Mengen doppelsträngiger DNA zuverlässig nachweisbar sind.

Abb. 2.2.1-C: Fluoreszenzverhalten von PicoGreen – frei in Lösung und gebunden an dsDNA Links: PicoGreen in wässriger Lösung (ohne DNA)
In wässriger Lösung ist das Farbstoffmolekül ständig in Bewegung: Es rotiert und führt innermolekulare Schwingungen aus. Wird es mit blauem Licht angeregt, gibt es die aufgenommene Energie überwiegend über diese Bewegungen an das umgebende Wasser als Wärme ab. Der Farbstoff zeigt daher nur eine sehr schwache Eigenfluoreszenz.
Rechts: PicoGreen gebunden an dsDNA
Nach Bindung an doppelsträngige DNA lagert sich PicoGreen in die Kleine Furche ein und wird zusätzlich durch Stapelwechselwirkungen mit den Basen fixiert. Dadurch ist das Molekül in seiner Beweglichkeit stark eingeschränkt. Die aufgenommene Energie kann nun deutlich weniger über Bewegungsprozesse verloren gehen und wird überwiegend als grünes Licht emittiert. Die Fluoreszenzintensität steigt daher stark an.Warum diese Eigenschaft analytisch so wertvoll ist
- Freier Farbstoff erzeugt kaum Hintergrundsignal.
- Nur gebundener Farbstoff leuchtet stark.
- Doppelsträngige DNA wird bevorzugt erfasst.
Gerade bei der Bestimmung von DNA-Rückständen in mRNA-Präparationen – auch bei sehr niedrigen Konzentrationen – ist dieser starke Kontrast zwischen „dunkel“ und „leuchtend“ entscheidend für die Sensitivität der Methode.
b) Warum PicoGreen bevorzugt doppelsträngige DNA erfasst
Die Selektivität von PicoGreen beruht nicht darauf, dass der Farbstoff „weiß“, was DNA ist, sondern auf strukturellen Eigenschaften der doppelsträngigen DNA.
Doppelsträngige DNA besitzt:
- einen regelmäßig aufgebauten Basenstapel
- dicht gepackte, planare Basenpaare
- klar definierte große und kleine Furchen
- eine stabile, räumlich geordnete Struktur
Diese geordnete Architektur bietet dem Farbstoff geeignete Bindungsstellen. Er kann sich zwischen oder nahe den gestapelten Basen anlagern und wird dabei mechanisch fixiert. Genau diese Fixierung ist entscheidend für die starke Fluoreszenzzunahme.
Einzelsträngige DNA oder RNA besitzen eine deutlich flexiblere Struktur. Ihnen fehlt der regelmäßig aufgebaute Basenstapel der Doppelhelix. Zwar kann es auch hier zu Wechselwirkungen kommen, doch:
- die Bindung ist schwächer
- die Fixierung weniger stabil
- die Fluoreszenzverstärkung deutlich geringer
Deshalb reagiert PicoGreen besonders empfindlich auf doppelsträngige DNA – und wesentlich schwächer auf RNA oder einzelsträngige Nukleinsäuren.
Für die Analyse von DNA-Rückständen ist genau diese Eigenschaft entscheidend: Restliche Plasmid-DNA oder DNA-Fragmente liegen typischerweise doppelsträngig vor und erzeugen daher ein starkes Signal.
Obwohl DNA-spezifische Fluoreszenzfarbstoffe wie PicoGreen eine hohe Präferenz für doppelsträngige DNA aufweisen, ist ihre Selektivität nicht absolut. Insbesondere in Proben mit sehr hohen RNA-Konzentrationen kann es zu unspezifischen Signalbeiträgen kommen. Diese entstehen durch schwache Bindung an RNA, sekundäre RNA-Strukturen oder schlichte Masseneffekte. Ohne geeignete Kontrollmaßnahmen – etwa eine RNase-Behandlung – kann dies zu einer Überschätzung der DNA-Menge führen.
c) Grenzen der PicoGreen-Methode
Trotz ihrer hohen Empfindlichkeit bleibt die Methode eine quantitative Summenbestimmung von dsDNA. Sie liefert keine Informationen über:
- die Sequenz der DNA
- die genaue Herkunft
- die biologische Funktionalität
- die Fragmentzusammensetzung
Einfluss der Fragmentlänge
Die Signalstärke hängt unter anderem davon ab, wie viele Bindungsstellen zur Verfügung stehen. Sehr kurze DNA-Fragmente können weniger Farbstoff binden als lange, intakte Moleküle.
Das bedeutet: Zwei Proben mit identischer Masse an DNA können – abhängig von der Fragmentierung – leicht unterschiedliche Fluoreszenzsignale erzeugen.
In der Praxis wird dies durch Kalibrationsstandards berücksichtigt, vollständig eliminieren lässt sich dieser Effekt jedoch nicht.
Matrixeffekte
Bestandteile der Probe können das Messergebnis beeinflussen, etwa:
- hohe Salzkonzentrationen
- Restproteine
- Tenside oder Lipidbestandteile
- Pufferzusammensetzung
Solche Faktoren können die Bindungseffizienz oder die Fluoreszenzintensität verändern. Daher werden Messbedingungen standardisiert und validiert.
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Zwischenfazit
Fluoreszenzbasierte Verfahren wie PicoGreen ermöglichen eine sehr empfindliche Quantifizierung doppelsträngiger DNA und sind grundsätzlich gut geeignet, um geringe DNA-Mengen auch in komplexen Proben nachzuweisen.
Die Methode beruht jedoch nicht auf einer sequenzspezifischen Erkennung, sondern auf strukturellen Eigenschaften der Nukleinsäuren. Das gemessene Signal kann daher durch Faktoren wie RNA-Reste, Fragmentlänge, Sekundärstrukturen oder Bestandteile der Probenmatrix beeinflusst werden. Ohne geeignete Kontrollmaßnahmen – insbesondere RNase-Behandlung und standardisierte Probenaufbereitung – besteht das Risiko einer Über- oder Unterschätzung der tatsächlichen DNA-Menge.
PicoGreen beantwortet damit vor allem die Frage, wie viel fluoreszenzaktive doppelsträngige DNA in einer Probe vorhanden ist. Aussagen über Sequenz, Herkunft, Integrität oder biologische Funktionalität der DNA sind mit dieser Methode allein nicht möglich.
Für solche Fragestellungen sind ergänzende sequenz- oder amplifikationsbasierte Verfahren erforderlich, die in den folgenden Kapitel behandelt werden.
2.2.2. Qubit-Systeme
Während DNA- und RNA-spezifische Farbstoffe wie PicoGreen oder RiboGreen die eigentlichen fluoreszierenden Werkzeuge zur Quantifizierung von Nukleinsäuren darstellen, bezeichnet das Qubit-System das darauf abgestimmte Gesamtsystem zur präzisen Konzentrationsbestimmung. Das Qubit-System ist ein kompaktes Fluorometer, das für die hochsensitive und spezifische Quantifizierung von DNA, RNA und Proteinen von Thermo Fisher Scientific entwickelt wurde. Es kombiniert:
- spezifische Fluoreszenzfarbstoffe = molekulare Sensoren
- optimierte Reagenzienlösungen = definierte Umgebung (Puffer)
- standardisierte Assay-Protokolle = standardisierte Bedienungsanleitungen
Ziel dieses Systems ist eine selektive und empfindliche Quantifizierung von DNA oder RNA in biologischen Proben.
Prinzip des Qubit-Systems
Das zugrunde liegende Messprinzip entspricht dem zuvor beschriebenen Verfahren (im Kapitel 2.2.1): Ein selektiver Fluoreszenzfarbstoff bindet an die Zielnukleinsäure, wird mit Licht definierter Wellenlänge angeregt und emittiert ein messbares Fluoreszenzsignal. Die Intensität dieses Signals ist proportional zur Menge der gebundenen DNA oder RNA. Durch den Vergleich mit Standardlösungen bekannter Konzentration kann daraus die Konzentration der Probe bestimmt werden.
Der Ablauf einer Messung
Die Handhabung ist bewusst einfach gehalten und folgt einem standardisierten Protokoll:
1️⃣ Arbeitslösung ansetzen: Der fluoreszierende Farbstoff (aus dem Assay-Kit) wird mit dem mitgelieferten Puffer im empfohlenen Verhältnis gemischt.
Beispiele für verfügbare Assay-Kits:
Assay-Kit Anwendung für dsDNA BR (Broad Range) höhere DNA-Konzentrationen dsDNA HS (High Sensitivity) niedrige DNA-Konzentrationen RNA BR (Broad Range) höhere RNA-Konzentrationen RNA HS (High Sensitivity) niedrige RNA-Konzentrationen microRNA Assay kleine RNA-Moleküle wie miRNA und siRNA Protein Assay Quantifizierung von Proteinen 2️⃣ Probe zugeben: Ein kleines Volumen der Probe (meist 1–20 µl) wird zur Arbeitslösung gegeben.
3️⃣ Bindung abwarten: Nach einer kurzen Inkubationszeit von nur 2 Minuten (bei DNA/RNA-Assays) bindet der Farbstoff spezifisch an sein Zielmolekül.
4️⃣ Kalibrieren mit Standards: Es werden ein oder zwei mitgelieferte Standards mit bekannter Konzentration gemessen. Daraus erstellt das Gerät automatisch eine Standardkurve.
5️⃣ Probe in das Gerät stellen:
Anregung: Das Gerät bestrahlt die Probe mit der passenden Anregungswellenlänge: z. B. blaues Licht bei ca. 470 nm zur Quantifizierung von DNA.
Emission: Die gebundenen Farbstoffmoleküle absorbieren dieses Licht und strahlen es mit einer längeren Wellenlänge (niedrigerer Energie) wieder ab (z. B. grünes Licht bei ca. 520 nm).
Filterung: Ein optischer Filter im Gerät blockiert das blaue Anregungslicht, sodass der Sensor nur das grüne Leuchten der Probe registriert. Dies erklärt die enorme Genauigkeit: Das Gerät „sieht“ nur das Zielobjekt, störende Anregungsstrahlung wird ausgeblendet.6️⃣ Messen und Ergebnis: Das Gerät misst das abgestrahlte, längerwellige Licht (z. B. grün). Innerhalb von Sekunden berechnet ein Algorithmus unter Berücksichtigung der Standardkurve die exakte Konzentration. Das Ergebnis wird auf dem Bildschirm angezeigt.

Abb. 2.2.2: Schematischer Ablauf der dsDNA-Quantifizierung im Qubit-System Die Abbildung zeigt den Ablauf der dsDNA-Quantifizierung mit dem Qubit-System. Nach Zugabe des spezifischen Fluoreszenzfarbstoffs zur Probe (1–2) bindet dieser selektiv an doppelsträngige DNA (3). Anschließend wird die Probe in das Qubit-Fluorometer eingesetzt (5), welches die Fluoreszenzintensität misst und die DNA-Konzentration berechnet (6).
Vorteile des Qubit-Systems
- Hohe Spezifität und Selektivität: Die verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe besitzen eine starke Präferenz für ihre jeweiligen Zielmoleküle. Dadurch kann beispielsweise doppelsträngige DNA (dsDNA) auch in Gegenwart größerer RNA-Mengen vergleichsweise selektiv quantifiziert werden. Unspezifische Signalbeiträge sind jedoch insbesondere bei sehr hohen RNA-Konzentrationen oder komplexen Probenmatrices nicht vollständig ausgeschlossen.
- Hohe Sensitivität: Im Vergleich zur UV-Photometrie ist die Methode deutlich empfindlicher und erlaubt die Quantifizierung sehr geringer Nukleinsäurekonzentrationen.
- Geringer Probenverbrauch: Für die Messung werden nur kleine Probenvolumina benötigt (typischerweise 1–20 µl), was insbesondere bei limitiertem oder wertvollem Probenmaterial vorteilhaft ist.
- Relative Robustheit gegenüber Verunreinigungen: Viele Substanzen, die UV-spektroskopische Verfahren beeinflussen können – etwa freie Nukleotide, Salze oder Proteine, stören die fluorometrische Messung deutlich weniger. Bestimmte Matrixbestandteile können die Fluoreszenz jedoch weiterhin beeinflussen.
- Einfache Handhabung und schnelle Ergebnisse: Das System ist standardisiert aufgebaut und ermöglicht reproduzierbare Messungen mit vergleichsweise geringem Arbeitsaufwand.
Grenzen des Qubit-Systems
- Keine Aussage über DNA-Integrität: Das Verfahren unterscheidet nicht zwischen intakter und fragmentierter DNA.
- Keine Sequenzinformation: Die Messung liefert keine Informationen über Sequenz, Herkunft oder biologische Funktion der Nukleinsäuren.
- Einfluss der Fragmentlänge: Unterschiedliche Fragmentlängen können die Signalstärke beeinflussen. Sehr kurze oder stark degradierte Fragmente erzeugen unter Umständen ein reduziertes Fluoreszenzsignal.
- Restunspezifität bei hohen RNA-Mengen: Sehr hohe RNA-Konzentrationen können trotz der hohen Farbstoffspezifität zu unspezifischen Signalbeiträgen führen.
- Begrenzter linearer Messbereich: Die Quantifizierung ist auf den linearen Bereich des jeweiligen Assays beschränkt. Hochkonzentrierte Proben müssen daher entsprechend verdünnt werden.
- Eingeschränkte Aussagen zur Probenreinheit: Aussagen über Reinheit, Zusammensetzung oder mögliche Kontaminationen der Probe sind nur begrenzt möglich.
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Zusammenfassung
Die Qubit-Fluorometrie gilt als empfindliche und vergleichsweise selektive Methode zur Quantifizierung von DNA und RNA. Im Unterschied zur UV-Spektroskopie basiert sie nicht auf einer unspezifischen Lichtabsorption, sondern auf fluoreszierenden Farbstoffen mit starker Präferenz für bestimmte Nukleinsäurestrukturen. Dadurch sind auch Messungen geringer Konzentrationen in komplexen Proben möglich.
Die Methode bleibt jedoch eine strukturabhängige Summenmessung: Sie liefert Informationen über die Menge bestimmter Nukleinsäuretypen, nicht jedoch über deren Sequenz, Herkunft oder biologische Eigenschaften. Für solche Fragestellungen sind sequenz- oder amplifikationsbasierte Verfahren erforderlich, die in den folgenden Kapitel behandelt werden.
2.3. Amplifikationsbasierte Methoden
Die bisher beschriebenen Verfahren (UV-Spektroskopie und Fluorometrie) ermöglichen die Bestimmung der Gesamtmenge an Nukleinsäuren – also von RNA und/oder DNA. Für den gezielten Nachweis spezifischer DNA- oder RNA-Sequenzen sind jedoch Methoden erforderlich, die auf einer Vervielfältigung der Zielsequenz beruhen. Dieses Prinzip wird als Amplifikation bezeichnet.
Im Herstellungsprozess kommen amplifikationsbasierte Methoden insbesondere zum Einsatz, um verbleibende DNA-Rückstände nachzuweisen.
Grundlage dieser Verfahren ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Dabei wird ein zuvor definierter DNA-Abschnitt durch wiederholte enzymatische Synthesezyklen exponentiell vervielfältigt, das heißt, die Menge des Zielabschnitts verdoppelt sich idealerweise in jedem Zyklus. Bereits wenige Ausgangskopien können so in eine messbare Menge überführt werden. Auf diesem Prinzip basieren sowohl die quantitative PCR (qPCR) als auch die digitale PCR (ddPCR).
2.3.1. quantitative PCR (qPCR)
2.3.2. digitale PCR (ddPCR)
2.3.3. Vergleich der PCR-basierten Quantifizierungsmethoden⚬ ⚬ ⚬
2.3.1. Quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR)
Die quantitative PCR, auch Real-Time-PCR genannt, ist eine Weiterentwicklung der klassischen PCR. Sie ermöglicht die gleichzeitige Amplifikation und Quantifizierung eines spezifischen DNA-Abschnitts in Echtzeit.
Die grundlegenden Reaktionsschritte entsprechen denen der konventionellen PCR, wie sie im ersten Teil (Vervielfältigung der Spike-DNA mittels PCR) beschrieben wurden. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass während jedes Amplifikationszyklus die entstehende DNA-Menge durch ein Fluoreszenzsignal gemessen wird.
In der qPCR wird hierzu ein Fluorophor eingesetzt, das als „Lichtsignal“ dient. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Strategien:
a) Farbstoffbasierte qPCR
b) Sondenbasierte qPCR◦ ◦ ◦
a) Farbstoffbasierte qPCR (z.B. mit SYBR® Green)
Bei der Analyse wird der Probe eine Reaktionsmischung zugesetzt, bestehend aus:
- freien Nukleotiden
- einem spezifischen Primerpaar
- einer thermostabilen DNA-Polymerase
- einem Puffer mit Mg²⁺-Ionen (für die Aktivität der Polymerase)
- einem fluoreszierenden Farbstoff (z. B. SYBR® Green)
SYBR® Green ist ein Fluorophor, der selektiv an doppelsträngige DNA bindet. Erst nach Bindung an dsDNA entfaltet der Farbstoff seine starke Fluoreszenz.
Diese Mischung wird in ein qPCR-Gerät – einen sogenannten Real-Time-PCR-Thermocycler – gestellt.
Prinzip der Methode
1️⃣ Denaturierung: Die Reaktionsmischung wird auf etwa 94–98 °C erhitzt. Dabei lösen sich die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren, und der DNA-Doppelstrang wird in zwei Einzelstränge getrennt.
2️⃣ Primerbindung: Die Temperatur wird auf etwa 50–65 °C abgesenkt. Die spezifischen Primer binden an ihre komplementären Zielsequenzen auf den Einzelsträngen. Sie definieren den Startpunkt der DNA-Synthese.

Abb. 2.3.1-A1: SYBR Green im ersten qPCR-Zyklus – Denaturierung und Primerbindung Links: Der Farbstoff SYBR® Green wird vor Beginn der PCR zur Reaktionsmischung gegeben. Er bindet selektiv an doppelsträngige DNA und zeigt in gebundener Form eine starke Fluoreszenz.
Rechts: Während der Denaturierung trennt sich die doppelsträngige DNA in Einzelstränge. Der gebundene Farbstoff wird dabei freigesetzt und verliert weitgehend seine Fluoreszenz. Anschließend binden die spezifischen Primer an ihre komplementären Zielsequenzen. (Hinweis: Die Primer sind zur besseren Übersichtlichkeit verkürzt mit nur drei Nukleotiden dargestellt; in der Praxis sind sie deutlich länger.)3️⃣ DNA-Synthese (Amplifikation): Bei etwa 72 °C synthetisiert die DNA-Polymerase den komplementären Strang. Dabei entsteht erneut doppelsträngige DNA. Der Farbstoff SYBR® Green bindet an diese neu gebildete dsDNA.
4️⃣ Anregung und Emission: Die Reaktionsmischung wird mit blauem Licht (ca. 490 nm) bestrahlt. Die gebundenen Farbstoffmoleküle absorbieren diese Energie und emittieren grünes Licht (ca. 520 nm). Der gebundene Farbstoff erzeugt ein messbares Fluoreszenzsignal.

Abb. 2.3.1-A2: SYBR Green im ersten qPCR-Zyklus – vom Doppelstrang zum Fluoreszenzsignal Links: Die DNA-Polymerase synthetisiert neue komplementäre Stränge. Dabei entsteht erneut doppelsträngige DNA, an die SYBR® Green unmittelbar bindet.
Rechts: Am Ende des Zyklus wird die Reaktionsmischung mit Licht geeigneter Wellenlänge angeregt. Die an doppelsträngige DNA gebundenen Farbstoffmoleküle emittieren grünes Fluoreszenzlicht, dessen Intensität proportional zur gebildeten DNA-Menge ist.5️⃣ Quantifizierung: Die Fluoreszenz wird am Ende jedes Zyklus gemessen. Mit zunehmender DNA-Menge steigt das Signal an. Daraus entsteht eine charakteristische Amplifikationskurve.
Der zentrale Messwert ist der sogenannte Ct-Wert (Cycle threshold). Er bezeichnet den Zyklus, bei dem das Fluoreszenzsignal erstmals eine definierte Schwelle überschreitet.
- Niedriger Ct-Wert → hohe Ausgangsmenge an Ziel-DNA
- Hoher Ct-Wert → geringe Ausgangsmenge an Ziel-DNA
Für eine absolute Quantifizierung wird üblicherweise eine Standardkurve mit bekannten Referenzkonzentrationen erstellt.
Bedeutung der Amplikon-Länge für die Detektion
Als Amplikon bezeichnet man den DNA-Abschnitt, der während der PCR zwischen den beiden Primerbindestellen vervielfältigt wird – einschließlich der Primer selbst.
Die spezifische Detektion der Zielsequenz setzt voraus, dass ein vollständiges Amplikon gebildet werden kann. Das ist nur möglich, wenn beide Primer – Vorwärts- und Rückwärts-Primer – auf demselben DNA-Fragment binden können. Ist das Fragment kürzer als der Abstand zwischen den beiden Primerbindestellen, kann einer der Primer nicht binden. Eine effiziente exponentielle Amplifikation findet nicht statt, es entsteht kein relevantes Fluoreszenzsignal.
Daraus folgt eine wichtige methodische Konsequenz: Je länger das gewählte Amplikon – also der Abstand zwischen den beiden Primerbindestellen, desto mehr kurze Fragmente bleiben unerkannt – nicht weil sie nicht vorhanden sind, sondern weil sie für diesen Assay zu kurz sind. Die Wahl der Amplikon-Länge beeinflusst damit direkt, welcher Anteil der tatsächlich vorhandenen DNA erfasst wird.

Abb. 2.3.1-A3: Bedeutung der Amplikon-Länge für die Detektion Hinweis: Die Primer sind zur besseren Übersichtlichkeit verkürzt mit nur drei Nukleotiden dargestellt; in der Praxis sind sie deutlich länger. Auch die schematische Darstellung der DNA-Fragmente ist verkürzt.
Oben: Fragment umfasst beide Primerbindestellen
Das DNA-Fragment ist lang genug, dass beide Primer (Vorwärts- und Rückwärts-Primer) an ihre jeweiligen Bindestellen binden können. Die DNA-Polymerase kann den Bereich zwischen den Primern vollständig kopieren. Es entsteht ein spezifisches Amplikon definierter Länge. Im nächsten Zyklus kann dieses Produkt wieder effizient amplifiziert werden. Als Ergebnis entsteht ein starkes Fluoreszenzsignal mit SYBR Green (proportional zur Menge spezifischer dsDNA).
Unten: Fragment umfasst nur eine Primerbindestelle
Das DNA-Fragment ist kürzer als der Abstand zwischen den beiden Primer-Bindestellen. Es kann nur ein Primer binden (der andere hat keine komplementäre Sequenz). Es entsteht kein vollständiges Amplikon, somit ist keine exponentielle Amplifikation möglich. Als Ergebnis entsteht kein oder nur sehr schwaches Fluoreszenzsignal mit SYBR Green.Vorteile der farbstoffbasierten qPCR
- Geringe Kosten & Aufwand: Die Methode ist vergleichsweise kostengünstig und technisch unkompliziert.
- Einfaches Primer-Design: Es werden nur sequenzspezifische Primer benötigt.
- Hohe Sensitivität: Bereits sehr geringe Mengen an Ziel-DNA lassen sich zuverlässig detektieren.
- Schnelle Durchführung: Die Methode ist breit etabliert und ermöglicht eine zügige Analyse auch größerer Probenzahlen. Die Quantifizierung erfolgt direkt über die Fluoreszenzentwicklung während der Amplifikation.
- Hohe Flexibilität: Neue Zielsequenzen können vergleichsweise schnell durch Anpassung der Primer analysiert werden.
- Schmelzkurvenanalyse als Qualitätskontrolle: Nach der Amplifikation kann die Spezifität der PCR-Produkte anhand ihrer charakteristischen Schmelztemperatur überprüft werden. Dadurch lassen sich unspezifische Produkte oder Primer-Dimere häufig erkennen.
Nachteile der farbstoffbasierten qPCR
- Unspezifische Farbstoffbindung: Der Fluoreszenzfarbstoff bindet an jede doppelsträngige DNA – auch an unspezifische Amplifikationsprodukte wie Primer-Dimere.
- Abhängigkeit vom Primer-Design: Die Spezifität der Analyse hängt stark von der Qualität und Selektivität der verwendeten Primer ab.
- Einfluss der Zielregion: Die Wahl der Zielsequenz und insbesondere die Länge des amplifizierten Abschnitts (Amplikon) beeinflussen das Ergebnis erheblich.
- Einfluss der Fragmentlänge: Stark fragmentierte DNA kann mit längeren Amplikons unvollständig erfasst werden, da häufig nicht mehr beide Primerbindestellen auf demselben Fragment vorhanden sind.
- Einfluss der Amplikonlänge: Kürzere Amplikons erfassen fragmentierte DNA in der Regel effizienter, erhöhen jedoch unter Umständen die Wahrscheinlichkeit unspezifischer Signale.
- Abhängigkeit von Effizienz und Kalibration: Die Genauigkeit der Quantifizierung wird wesentlich durch die PCR-Effizienz sowie die Qualität der verwendeten Standardkurve beeinflusst.
b) Sondenbasierte qPCR (z. B. TaqMan®)
Bei der Analyse wird der Probe eine Reaktionsmischung zugesetzt, bestehend aus:
- freien Nukleotiden
- einem spezifischen Primerpaar
- einer thermostabilen DNA-Polymerase mit „5’→3′-Exonuklease-Aktivität“ (diese Polymerase kann im Weg liegende Hindernisse aktiv abbauen)
- einem Puffer mit Mg²⁺-Ionen (für die Aktivität der Polymerase)
- einer spezifischen Sonde (z. B. TaqMan®-Sonde)
Aufbau und Funktionsweise der TaqMan®-Sonde
Eine TaqMan®-Sonde ist eine kurze, synthetisch hergestellte DNA-Sequenz, die komplementär zu einem Abschnitt der Zielsequenz passt. Die Sonde bindet an einen der beiden DNA-Stränge, und zwar zwischen den beiden Primerbindestellen.
Die Sonde trägt:
• am 5′-Ende einen Fluoreszenzfarbstoff (Reporter)
• am 3′-Ende einen Quencher
Der Reporter kann unterschiedliche Fluorophore tragen, wodurch auch Multiplex-Analysen – der gleichzeitige Nachweis mehrerer Zielsequenzen – möglich sind.
Solange Reporter und Quencher räumlich nahe beieinander liegen, wird das Fluoreszenzsignal unterdrückt. Das Quenching funktioniert nur, solange die Sonde intakt ist: Durch die räumliche Nähe von Reporter und Quencher kommt es zu einem Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET). Dabei wird die vom Reporter absorbierte Energie auf den Quencher übertragen und als Wärme abgegeben, anstatt als Licht emittiert zu werden.
Die Reaktion wird in einem Real-Time-PCR-Thermocycler durchgeführt, der neben den Temperaturzyklen auch die Fluoreszenz während der Amplifikation misst.
Prinzip der Methode
1️⃣ Denaturierung: Die Reaktionsmischung wird auf etwa 94–98 °C erhitzt. Die Wasserstoffbrückenbindungen brechen auf, wodurch die doppelsträngige DNA in zwei Einzelstränge getrennt wird.
2️⃣ Hybridisierung (Primer- & Sondenbindung): Die Temperatur wird auf etwa 55–60 °C abgesenkt. Neben den spezifischen Primern bindet auch die TaqMan-Sonde an ihre Zielsequenz zwischen den Primern. In diesem Zustand bleibt die Fluoreszenz des Reporters durch den nahen Quencher unterdrückt.

Abb. 2.3.1-B1: Sondenbasierte qPCR im Annealing-Schritt Sobald die Temperatur von 95 °C auf 60 °C sinkt, bindet die Sonde als Erstes an ihre Zielsequenz. Die Sonde hat eine höhere Schmelztemperatur Tm (meist 8–10 °C über der der Primer), damit sie bei der gewählten Arbeitstemperatur bereits fest sitzt, während die Primer gerade erst anfangen zu binden.
Die Sonde ist ein einzelsträngiges DNA-Molekül von etwa 20–30 Nukleotiden Länge. Sie ist so konzipiert, dass sie spezifisch an eine definierte Zielsequenz bindet – einen Abschnitt, der charakteristisch für die gesuchte DNA ist.3️⃣ DNA-Synthese & Hydrolyse (Amplifikation): Bei etwa 60 °C beginnt die DNA-Polymerase mit der Synthese des neuen Strangs. In vielen modernen qPCR-Protokollen erfolgen Annealing (Primer- & Sondenbindung) und Elongation (DNA-Synthese) bei derselben Temperatur.
Trifft die Polymerase während der Strangsynthese auf die gebundene Sonde, nutzt sie ihre 5’→3′-Exonuklease-Aktivität, um die Sonde zu hydrolysieren (in einzelne Nukleotide zu zerlegen). Bereits der erste Schnitt trennt den Reporter-Farbstoff vom Quencher.
Dadurch wird der Reporter dauerhaft von der quenched Situation befreit.4️⃣ Anregung und Emission: Während der Messphase wird die Reaktionsmischung mit Licht einer spezifischen Wellenlänge angeregt. Die freigesetzten Reporter-Moleküle absorbieren diese Energie und emittieren Licht einer längeren Wellenlänge (z. B. grün bei FAM oder gelb bei VIC).
Das Fluoreszenzsignal entsteht hier nicht durch Bindung eines Farbstoffs an doppelsträngige DNA (wie bei SYBR Green), sondern durch die enzymatische Spaltung der Sonde während der Amplifikation.
Die Sonde ist nicht an der DNA-Amplifikation beteiligt. Die Amplifikation wird ausschließlich durch den Vorwärts- und den Rückwärtsprimer gesteuert, während die Sonde lediglich als sequenzspezifischer Fluoreszenzmarker dient.

Abb. 2.3.1-B2: Amplifikation mit Sondenhydrolyse – Signalentstehung (Fluoreszenz) Die Polymerase verlängert vom Primer aus und erreicht die Sonde. Während sie den neuen DNA-Strang synthetisiert, räumt sie die im Weg liegende Sonde weg. Dadurch wird der Reporter vom Quencher getrennt, was das messbare Fluoreszenzsignal erzeugt.
5️⃣ Quantifizierung: Die Fluoreszenz wird nach jedem Zyklus gemessen. Pro neu synthetisiertem DNA-Strang, der eine intakte Sondenbindestelle enthält, wird eine Sonde hydrolysiert. Die Signalintensität steigt daher proportional zur Anzahl korrekt amplifizierter Zielmoleküle.
Der zentrale Messwert ist der Ct-Wert (Cycle threshold):
- Niedriger Ct-Wert → hohe Ausgangsmenge an Ziel-DNA
- Hoher Ct-Wert → geringe Ausgangsmenge an Ziel-DNA
Vorteile der sondenbasierten qPCR
- Hohe Spezifität: Neben den beiden Primern bindet zusätzlich eine sequenzspezifische Fluoreszenzsonde. Ein Signal entsteht nur, wenn die gewünschte Zielsequenz tatsächlich amplifiziert wird. Unspezifische Amplifikationsprodukte wie Primer-Dimere erzeugen daher in der Regel kein relevantes Signal.
- Geeignet für Multiplex-Analysen: Durch unterschiedliche Reporter-Farbstoffe können mehrere Zielsequenzen gleichzeitig in einer Reaktion nachgewiesen werden.
- Verbesserte analytische Robustheit: Die zusätzliche Sondenebene erhöht die Spezifität und verbessert die Zuverlässigkeit der Quantifizierung, insbesondere in komplexen Proben mit hohem Hintergrundsignal.
- Geringere Anfälligkeit für unspezifische Amplifikation: Im Vergleich zu farbstoffbasierten Verfahren sind falsch-positive Signale durch unspezifische PCR-Produkte deutlich reduziert.
Nachteile der sondenbasierten qPCR
- Höhere Kosten: Für jede Zielsequenz muss zusätzlich zu den Primern eine spezifische, fluoreszenzmarkierte Sonde synthetisiert werden.
- Komplexeres Assay-Design: Neben den Primern muss auch die Sonde hinsichtlich Sequenz, Schmelztemperatur, Position und möglicher Sekundärstrukturen optimiert werden.
- Abhängigkeit von der Zielregion: Fragmentierungen, Mutationen oder Schäden innerhalb der Primer- oder Sondenbindestellen können die Amplifikation und Signalgenerierung beeinträchtigen oder verhindern.
- Einfluss der Fragmentlänge: Wie bei anderen PCR-basierten Verfahren hängt die Nachweisbarkeit davon ab, ob ein DNA-Fragment alle erforderlichen Bindestellen für Primer und Sonde enthält. Stark fragmentierte DNA kann daher – insbesondere bei längeren Zielregionen – unvollständig erfasst werden.
- Indirekte Quantifizierung: Die absolute Quantifizierung erfolgt meist über Standardkurven und bleibt abhängig von Amplifikationseffizienz, Assay-Design und Probenvorbereitung.
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Detaillierte Informationen zur Funktionsweise der beiden qPCR-Methoden sind hier zu finden.
Sowohl die farbstoffbasierte als auch die sondenbasierte qPCR ermöglichen eine sensitive und spezifische Detektion definierter DNA-Sequenzen. Die Quantifizierung erfolgt jedoch indirekt über den Ct-Wert und erfordert in der Regel eine Standardkurve mit bekannten Referenzkonzentrationen. Die Genauigkeit hängt somit von der Amplifikationseffizienz und der Qualität der Referenzstandards ab.
Um diese Abhängigkeit zu reduzieren und eine absolute Quantifizierung ohne Standardkurve zu ermöglichen, wurde die digitale PCR (ddPCR) entwickelt.
2.3.2. Digitale PCR (ddPCR)
ddPCR steht für Droplet Digital PCR (digitale Tröpfchen-PCR).
Die digitale PCR ist eine Weiterentwicklung der PCR-Technik, die eine absolute quantitative Bestimmung von DNA- oder RNA-Molekülen ermöglicht – ohne Standardkurve und mit sehr hoher Präzision.
Im Gegensatz zur qPCR misst sie kein kontinuierlich ansteigendes Fluoreszenzsignal, sondern zählt einzelne, positive Reaktionseinheiten. Das Ergebnis ist binär – „positiv“ oder „negativ“ – daher der Begriff digital.
Grundprinzip von ddPCR
Während bei der qPCR die gesamte Reaktion in einem einzigen Reaktionsvolumen abläuft, wird sie bei der ddPCR in Tausende mikroskopisch kleine, voneinander getrennte Reaktionsräume aufgeteilt – sogenannte Droplets (Tröpfchen). Jedes Droplet stellt eine eigenständige PCR-Reaktion dar.
Ablauf der Methode (am Beispiel DNA):
1️⃣ Probenvorbereitung: Die DNA-Probe wird mit Primern, einer sequenzspezifischen Sonde (meist TaqMan®-ähnlich), Nukleotiden, DNA-Polymerase und Puffer gemischt – analog zur sondenbasierten qPCR.
2️⃣ Partitionierung (Droplet Generator): Die Reaktionsmischung wird in einen Droplet Generator überführt. Dort wird sie zusammen mit einem speziellen Öl durch mikrofluidische Kanäle geleitet.
Durch die Strömungsdynamik entstehen daraus bis zu 20.000 nanoliter-große Droplets. Das Öl stabilisiert die Tröpfchen und bildet eine stabile Emulsion, sodass jedes Droplet ein abgeschlossener Reaktionsraum ist. Die fertigen Tröpfchen landen in einem Well (einer Vertiefung) auf einer 96-Well-Platte.
Die Verteilung der DNA-Moleküle auf die Droplets erfolgt zufällig.
Dabei entstehen:- viele leere Droplets
- einige Droplets mit einem Zielmolekül
- einige Droplets mit mehreren Molekülen
Diese Verteilung folgt der Poisson-Statistik.

Abb. 2.3.2-A: Schematische Darstellung der Tröpfchenbildung bei der digitalen PCR 3️⃣ Amplifikation (PCR): Die versiegelte 96-Well-Platte wird in einen Thermocycler überführt.
Die Droplets durchlaufen die üblichen PCR-Zyklen (Denaturierung, Annealing, Elongation), typischerweise 40–45 Zyklen.
Während der Amplifikation wird keine Fluoreszenz gemessen.
Enthält ein Droplet mindestens ein Ziel-DNA-Molekül, wird dieses amplifiziert. Die Sonde wird hydrolysiert und das Droplet entwickelt ein starkes Fluoreszenzsignal.
Droplets ohne Ziel-DNA bleiben dunkel.

Abb. 2.3.2-B: ddPCR-Signale nach Amplifikation in Abhängigkeit von der Ziel-DNA-Konzentration Die Abbildung zeigt schematisch das Ergebnis einer droplet digital PCR (ddPCR) nach Abschluss der Amplifikation.
Die zuvor generierten und versiegelten Droplets durchlaufen in einem Thermocycler 40–45 PCR-Zyklen. Während der Amplifikation erfolgt keine kontinuierliche Fluoreszenzmessung.
Enthält ein Droplet mindestens ein Ziel-DNA-Molekül, kommt es zur Amplifikation der Zielsequenz. Dabei wird die sequenzspezifische Sonde durch die 5′→3′-Exonuklease-Aktivität der DNA-Polymerase hydrolysiert, wodurch der Reporter vom Quencher getrennt wird und ein starkes Fluoreszenzsignal entsteht. Droplets ohne Ziel-DNA bleiben ohne Signal („negativ“).
Mit zunehmender Ausgangskonzentration der Ziel-DNA steigt die Anzahl fluoreszenter (positiver) Droplets, während die Intensität einzelner positiver Droplets vergleichbar bleibt.4️⃣ Auslesung (Droplet Reader): Nach Abschluss der PCR wird die 96-Well-Platte in einen DropletReader eingesetzt.
Das Gerät:
- saugt die Emulsion aus einem Well an
- leitet die Droplets einzeln durch eine schmale Kapillare
- bestrahlt jedes Droplet mit einem Laser
- misst die Fluoreszenzintensität
Jedes Droplet wird einzeln klassifiziert als:
• positiv (Fluoreszenzsignal vorhanden)
• negativ (kein Signal)Das Ergebnis ist binär – 0 oder 1.

Abb. 2.3.2-C: Schematische Darstellung des Prinzips der Fluoreszenzauslesung bei der ddPCR Nach Abschluss der PCR wird die 96-Well-Platte mit der Tröpfchen-Emulsion in den Droplet Reader eingesetzt. Das Gerät saugt die Emulsion aus einem Well an und führt die Tröpfchen einzeln durch eine schmale Kapillare. Jedes Tröpfchen wird dabei mit einem Laser bestrahlt; die gemessene Fluoreszenzintensität wird als Amplitudenwert erfasst. In der Analysesoftware werden diese Werte in einem 1D-Amplitudenplot dargestellt: Die X‑Achse nummeriert die Tröpfchen fortlaufend, die Y‑Achse zeigt die Fluoreszenz-Amplitude. Durch eine softwarebasierte Schwellenwertsetzung werden negative Tröpfchen (kein Signal) von positiven Tröpfchen (Fluoreszenzsignal) getrennt. Die Anzahl der positiven Droplets wird anschließend mittels Poisson-Statistik in die absolute Ziel-DNA-Konzentration der Ausgangsprobe umgerechnet.
5️⃣ Quantifizierung: Da bekannt ist:
- wie viele Droplets insgesamt analysiert wurden
- wie viele davon positiv sind
kann über die Poisson-Verteilung die absolute Anzahl der ursprünglichen DNA-Moleküle berechnet werden.
📍Eine Standardkurve ist nicht erforderlich.
📍Die Quantifizierung ist unabhängig von der Amplifikationseffizienz innerhalb einzelner Zyklen.🎥 Tipp: Wie das Ganze in der Praxis aussieht, zeigt das Video „Digital PCR Using the Bio-Rad QX100™ ddPCR™ System“.
Vorteile der ddPCR
- Absolute Quantifizierung ohne Standardkurve: Die Anzahl der Zielmoleküle wird direkt aus dem Verhältnis positiver zu negativer Droplets mithilfe der Poisson-Statistik berechnet. Eine externe Standardkurve ist in der Regel nicht erforderlich.
- Hohe Präzision und Reproduzierbarkeit: Durch die Aufteilung der Probe in tausende unabhängige Reaktionsräume wird die Quantifizierung weniger anfällig für Schwankungen der Amplifikationseffizienz als bei klassischen qPCR-Verfahren.
- Hohe Sensitivität bei niedrigen Konzentrationen: Auch sehr geringe Mengen an Ziel-DNA können zuverlässig detektiert werden, da einzelne Moleküle in separaten Droplets amplifiziert werden.
- Relative Robustheit gegenüber PCR-Inhibitoren: Inhibitoren verteilen sich ebenfalls auf die einzelnen Droplets. Dadurch fällt ihre hemmende Wirkung oft geringer aus als bei einer einzelnen Gesamtreaktion.
- Endpunktmessung statt Ct-Interpretation: Die Analyse basiert auf der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Signals am Ende der PCR und ist daher weniger abhängig von der Interpretation von Amplifikationskurven.
- Besonders geeignet für seltene Zielsequenzen: Die Methode wird häufig für den Nachweis seltener Mutationen, niedriger Viruslasten oder sehr geringer DNA-Restmengen eingesetzt.
Nachteile der ddPCR
- Aufwendigere Technik und höhere Kosten: Zusätzlich zum Thermocycler werden spezielle Geräte zur Droplet-Erzeugung und -Auslesung benötigt.
- Komplexerer Workflow: Die Partitionierung der Probe sowie die anschließende Droplet-Analyse erfordern zusätzliche Arbeitsschritte und erhöhen den technischen Aufwand.
- Begrenzter Dynamikbereich pro Ansatz: Bei sehr hohen Zielkonzentrationen können zu viele Droplets positiv werden. Dadurch verliert die statistische Auswertung an Genauigkeit (Sättigungseffekt), sodass Verdünnungsreihen erforderlich sein können.
- Geringerer Probendurchsatz: Im Vergleich zur qPCR ist die Analyse meist zeitaufwendiger und weniger für sehr hohe Probendurchsätze geeignet.
- Weiterhin sequenz- und assayabhängig: Wie bei der qPCR werden nur DNA-Fragmente erfasst, die sämtliche erforderlichen Primer- und gegebenenfalls Sondenbindestellen enthalten.
- Einfluss der Fragmentierung: Stark fragmentierte DNA kann auch bei der ddPCR unvollständig erfasst werden, insbesondere wenn die Zielregion relativ lang ist oder Primerbindestellen fehlen.
- Abhängigkeit von der Probenvorbereitung: Extraktionsverluste, unvollständiger LNP-Aufschluss oder selektive Fragmentverluste können das Ergebnis weiterhin beeinflussen.
2.3.3. Vergleich der PCR-basierten Quantifizierungsmethoden
Merkmal Farbstoffbasierte qPCR Sondenbasierte qPCR Digitale PCR (ddPCR) Messprinzip Fluoreszenzbindung an jede dsDNA Sequenzspezifische Fluoreszenzsonde Zählung positiver Einzelreaktionen Signalentstehung Farbstoff bindet an dsDNA Sonde wird während der Amplifikation hydrolysiert Endpunktmessung positiver Droplets Quantifizierung Relativ (über Ct-Wert und Standardkurve) Relativ (über Ct-Wert und Standardkurve) Absolut (über Poisson-Verteilung) Standardkurve erforderlich Ja Ja Nein Spezifität Mittel
(primerabhängig)Hoch
(Primer + Sonde)Hoch
(Primer + Sonde)Messzeitpunkt Während der Amplifikation
(Real-Time)Während der Amplifikation
(Real-Time)Nach Endpunkt-PCR Reaktionsraum 1 Reaktionsvolumen 1 Reaktionsvolumen ~20.000 Droplets pro Well Kosten Niedrig Mittel Hoch Geräteaufwand Real-Time-PCR-Gerät Real-Time-PCR-Gerät Droplet Generator + Thermocycler + Droplet Reader
2.4. Sequenzierungsbasierte Verfahren
2.4.1. Oxford Nanopore-Technologie
2.4.2. Illumina-SequenzierungWährend die bisher beschriebenen Methoden (qPCR, ddPCR) gezielt einzelne DNA-Sequenzen nachweisen und quantifizieren können, gehen sequenzierungsbasierte Verfahren einen Schritt weiter: Sie lesen die exakte Abfolge der Basen eines DNA- oder RNA-Moleküls – Stück für Stück, Buchstabe für Buchstabe.
Ein Vertreter dieser Technologien ist die Nanoporen-Sequenzierung. In einer Studie zeigen Gunter et al. (Nature Communications 2023), dass Long-Read-Nanopore-Sequenzierung zur umfassenden Analyse von mRNA-Impfstoffen verwendet werden kann. Methoden wie „VAX-seq“ können Schlüsselqualitätsattribute erfassen – darunter Sequenzidentität, Integrität, Länge und Reinheit – und gleichzeitig mRNA sowie DNA-Rückstände bewerten. Dies macht die Nanopore-Sequenzierung zu einem vielversprechenden analytischen Ansatz für Herstellungs- und Qualitätskontrollprozesse.
Insbesondere die Oxford Nanopore-Technologie (ONT) hat sich in den letzten Jahren als vielversprechendes Werkzeug für die Qualitätskontrolle von mRNA-basierten Wirkstoffen etabliert. Sie liefert direkte Sequenzinformationen einzelner Moleküle und kann sowohl kurze als auch sehr lange Fragmente analysieren – ein entscheidender Vorteil für die Charakterisierung von DNA-Rückständen.
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2.4.1. Oxford Nanopore-Technologie
Wenn heute von Nanopore-Sequenzierung die Rede ist, ist in der Regel die von Oxford Nanopore Technologies (ONT) entwickelte Plattform gemeint. Obwohl alternative Konzepte zur nanoporenbasierten Sequenzierung existieren, ist ONT derzeit die einzige Technologie, die kommerziell breit verfügbar und praktisch etabliert ist. Seit der Markteinführung im Jahr 2015 hat sie sich als Vertreterin der sogenannten Third-Generation-Sequencing-Verfahren etabliert.
Das Besondere an dieser Methode ist die direkte Analyse einzelner DNA- oder RNA-Moleküle in Echtzeit. Im Gegensatz zu klassischen Sequenzierverfahren sind weder eine zyklische Amplifikation noch chemische Markierungen der Nukleotide erforderlich. Die Sequenzinformation wird unmittelbar aus physikalischen Messsignalen abgeleitet.
Funktionsprinzip
Die ONT-Sequenzierung basiert auf dem Zusammenspiel mehrerer zentraler Komponenten:
Nanoporen – fungieren als winzige molekulare „Lesegeräte“. Wandert ein einzelner DNA- oder RNA-Strang durch die Pore, erzeugt dies charakteristische elektrische Signale – vergleichbar mit einem molekularen „Fingerabdruck“.
Membran – dient als Filter und Barriere. Sie sorgt dafür, dass nur Ionen und Nukleinsäuren die Nanoporen passieren, während unerwünschte Moleküle ausgeschlossen bleiben. Dadurch entsteht ein definierter Messraum für die Signalerfassung.
Chip (Flow Cell) – ist die Basis des Systems. Der Chip enthält die Membran mit zahlreichen Nanoporen sowie die integrierte Elektronik zur Detektion der elektrischen Signale. Er stellt die funktionelle Einheit dar, in der die Sequenzierung stattfindet.
Aufbau des Systems
Der Chip ist in zwei Kammern unterteilt:
Obere Kammer (cis) Hier wird die DNA-Probe eingebracht. Untere Kammer (trans) Nimmt den Strang nach dem Durchtritt
durch die Nanopore auf.Beide Kammern sind mit einer ionenhaltigen Pufferlösung gefüllt, die elektrischen Strom leitet. Die Membran trennt die Kammern elektrisch voneinander – Strom kann nur an den Stellen fließen, an denen Nanoporen eingebettet sind. Diese Poren sind die einzigen „Tunnel“, durch die Ionen und Nukleinsäuren passieren können.
Durch eine zwischen den Kammern angelegte konstante elektrische Spannung entsteht ein messbarer Ionenstrom durch die Nanoporen. Sobald ein DNA- oder RNA-Strang die Pore durchquert, wird dieser Stromfluss charakteristisch verändert. Die dabei entstehenden Strommodulationen werden kontinuierlich erfasst und als elektrische Rohsignale aufgezeichnet.

Abb. 2.4.1-A: Aufbau des Nanoporen-Geräts Links ist ein tragbares Nanopore-Sequenziergerät dargestellt, das in seiner Größe in etwa einem etwas breiteren USB-Stick entspricht. Es enthält eine austauschbare Sequenzierzelle (Flow Cell), die für die eigentliche Analyse eingesetzt wird.
Rechts: Die vergrößerte Darstellung zeigt den schematischen Aufbau dieser Sequenzierzelle: Sie besteht aus einem Chip, auf dem eine elektrisch isolierende Membran aufliegt. In diese Membran sind zahlreiche Nanoporen eingebettet, die als molekulare Sensoren dienen. Die Zelle ist in eine obere cis– und eine untere trans-Kammer unterteilt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird (hier im Bild) DNA durch die Nanopore gezogen; die dabei entstehenden Stromänderungen werden gemessen und zur Sequenzbestimmung genutzt.Der Weg der DNA durch die Nanopore
1️⃣ Library Preparation (Bibliotheksvorbereitung)
Bevor die Sequenzierung beginnen kann, muss die in der Probe enthaltene Nukleinsäure (DNA und/oder RNA) für die Nanopore-Technologie vorbereitet werden. Dieser Prozess wird als Library Preparation bezeichnet.
Im Kontext der Qualitätskontrolle therapeutischer mRNA – etwa direkt nach der in-vitro-Transkription oder vor der Formulierung – sind dabei folgende Schritte relevant:
a) Aufreinigung
Nach der Transkription enthält das Reaktionsgemisch neben der gewünschten mRNA oder DNA noch Enzyme (z. B. Polymerasen), freie Nukleotide und Pufferbestandteile.
Diese Komponenten müssen entfernt werden, da sie:
- die Effizienz der Adapter-Ligation beeinträchtigen
- die Nanoporen blockieren könnten
- das elektrische Signal stören
In frühen Prozessschritten ist daher eine gründliche Aufreinigung erforderlich. Kurz vor der finalen Formulierung liegt das Produkt in der Regel bereits gereinigt vor, sodass keine zusätzliche Grundaufreinigung mehr notwendig ist.
b) End-Repair & dA-Tailing (bei DNA)
Soll DNA sequenziert werden – etwa zur Analyse von DNA-Rückständen – müssen die Fragmentenden vorbereitet werden.
Zunächst erfolgt eine End-Reparatur: Überhängende („sticky“) Enden werden enzymatisch aufgefüllt oder zurückgeschnitten, sodass glatte, doppelsträngige Enden entstehen.
Anschließend wird häufig ein sogenanntes dA-Tailing durchgeführt. Dabei hängt eine Polymerase gezielt ein einzelnes Adenosin (A) an jedes 3′-Ende der DNA an. Es entsteht ein definierter 3′-A-Überhang, der für die nachfolgende Adapter-Ligation erforderlich ist.
c) Adapter-Ligation – der entscheidende Schritt
Damit die Nukleinsäuren von der Nanopore erkannt und kontrolliert durch die Pore geschleust (transloziert) werden können, müssen spezielle Adapter-Moleküle an die Enden angefügt (ligiert) werden.
Diese Adapter sind funktionelle Module und enthalten mehrere entscheidende Komponenten:
Motorprotein
Das Motorprotein wirkt als molekulare Bremse. Ohne diese Kontrolle würde die DNA mit extrem hoher Geschwindigkeit durch die Pore „schießen“ – viel zu schnell für eine präzise Signalauflösung.
Das Motorprotein:
- reguliert die Translokationsgeschwindigkeit (≈ 400–500 Basen pro Sekunde)
- sorgt für einen gleichmäßigen Vorschub
- entwindet doppelsträngige DNA bei der Passage
Oxford Nanopore verwendet unterschiedliche Motorproteine (Helicasen) für:
- doppelsträngige DNA
- cDNA
- native (direct) RNA-Sequenzierung
Tether
Der Tether kann als molekularer „Einpark-Assistent“ beschrieben werden. Er enthält meist eine cholesterinartige Struktur, die sich in die Lipidmembran der Flow Cell einlagert. Dadurch wird die Nukleinsäure gezielt in die Nähe der Membranoberfläche gebracht – also genau dorthin, wo sich die Nanoporen befinden.
So erhöht sich die Wahrscheinlichkeit erheblich, dass das Molekül in das elektrische Feld einer Pore gerät und hineingezogen wird.
In manchen Protokollen wird zusätzlich ein sogenannter Tether-Buffer eingesetzt, um die Membranoberfläche mit diesen Ankerstrukturen anzureichern.
Barcode-Sequenzen (optional)
Barcode-Sequenzen ermöglichen die parallele Analyse mehrerer Proben in einem Sequenzierlauf (Multiplexing).
Für die reine Qualitätskontrolle einzelner Chargen sind sie nicht zwingend erforderlich und werden daher im Folgenden nicht weiter berücksichtigt.⬦ ⬦ ⬦
Adapter-Design bei ONT
Oxford Nanopore stellt die Sequenzier-Adapter bereits vorbeladen mit Motorprotein und Tether bereit.
Bei der Ligation wird somit der gesamte Adapter-Komplex an das Nukleinsäuremolekül gekoppelt.
Bei DNA:
- Der Adapter wird an die Enden der doppelsträngigen DNA ligiert.
- Die Adapter besitzen einen überstehenden Thymin-(T)-Rest, der komplementär zum zuvor erzeugten 3′-A-Überhang der DNA ist.
- Dadurch entsteht eine effiziente und gerichtete Ligation.
Bei RNA (Direct RNA Sequencing):
- Der Adapter wird am 3′-Ende der RNA ligiert, meist über den vorhandenen Poly(A)-Tail.

Abb. 2.4.1-B: Schematische Darstellung der Adapter-Ligation Der Sequenzier-Adapter enthält neben einer doppelsträngigen DNA-Region (meist etwa 30 bis 50 Basenpaare lang) auch zwei kurze einzelsträngige Sequenzen (oft ca. 20 bis 40 Nukleotide). Zur besseren Übersicht zeigt die Abbildung eine stark verkürzte Darstellung.
Ein Einzelstrang ist bereits im Inneren des Motorproteins gebunden, während einige Basen des zweiten Einzelstranges außerhalb sichtbar sind.
Direkt daran befindet sich der Übergang zur eigentlichen Probe. Ein spezifischer Überhang am Ende des Adapters (T) hat sich mit dem komplementären Ende der Proben-DNA (A) verbunden. Diese „Ligation“ verknüpft die zu untersuchende Doppelstrang-DNA (dsDNA) stabil mit dem Sequenzier-System.
Seitlich am Motorprotein ist der Tether befestigt. An seinem freien Ende befindet sich ein Cholesterin-Molekül. Dieses dient als chemischer „Dübel“, der den gesamten Komplex in der Lipidmembran der Pore fixiert, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die DNA die Nanopore findet.Nach der Ligation sind die Adapter stabil mit der Nukleinsäure verbunden und die Bibliothek ist sequenzierbereit.
Besonderheit: Direct RNA Sequencing (z. B. im Rahmen von VAX-seq)
Eine Besonderheit der Nanopore-Technologie ist die Möglichkeit, native RNA direkt zu sequenzieren, ohne vorherige Umschreibung in cDNA.
Für die Qualitätskontrolle therapeutischer mRNA ist das von großer Bedeutung, da:
- chemische Modifikationen (z. B. Pseudouridin) direkt erfasst werden können
- keine Reverse-Transkriptionsartefakte entstehen
- strukturelle Besonderheiten der RNA erhalten bleiben
Damit erlaubt die Technologie nicht nur eine Mengenbestimmung, sondern eine strukturelle und funktionelle Charakterisierung auf Molekülebene.
2️⃣ Anlegen einer elektrischen Spannung
In beiden Kammern der Sequenzierzelle befinden sich geladene Teilchen (Ionen). Sobald zwischen der oberen cis-Kammer und der unteren trans-Kammer eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld über der Membran. Dieses Feld treibt die Ionen durch die Nanoporen, wodurch ein messbarer elektrischer Strom entsteht.
Solange sich keine DNA in der Pore befindet, bleibt dieser Ionenfluss konstant. Das Gerät registriert in diesem Zustand einen stabilen Grundstrom, der als Referenzsignal dient (siehe folgende Abbildung).
3️⃣ Die DNA wird in die Sequenzierzelle gegeben
Die vorbereitete DNA-Probe wird in die obere cis-Kammer der Sequenzierzelle pipettiert. An den Enden der DNA befinden sich bereits die Sequenzier-Adapter, die mit einem Motorprotein und einem Tether ausgestattet sind.
Der Tether trägt an seinem Ende eine hydrophobe (wasserabweisende) Cholesterin-Gruppe. Sie fungiert als molekularer Anker:
Durch Diffusion bewegen sich die DNA-Stränge in der cis-Kammer ständig umher. Sobald das wasserabweisende Cholesterin dabei zufällig die Membran berührt, bleibt es dort sofort haften. Für das Cholesterin ist es energetisch weitaus günstiger, in der Lipidschicht zu verweilen als im wasserbasierten Puffer.
Dieser Mechanismus bietet zwei wesentliche Vorteile:
Konzentration an der Oberfläche: Die DNA-Moleküle sammeln sich bevorzugt in der Nähe der Membran. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das Motorprotein eine Nanopore findet und dort andocken kann.
Laterale Mobilität: Das Cholesterin ist in der Membran nicht starr fixiert, sondern bleibt lateral (seitlich) beweglich. Die DNA kann daher entlang der Membranoberfläche „gleiten“, bis sie vom elektrischen Feld einer Pore erfasst und schließlich eingezogen wird.
4️⃣ Andocken an die Nanopore
Sobald ein einzelsträngiger Abschnitt der DNA in die Nanopore eintritt, zieht das elektrische Feld den negativ geladenen DNA-Strang in Richtung der trans-Kammer. Dadurch wird das Motorprotein gegen die Porenöffnung positioniert und dockt stabil auf der Pore an.
Der elektrische Zug auf den DNA-Strang wirkt dabei wie ein mechanischer Startimpuls für das Motorprotein. Es beginnt nun, seine Helicase-Aktivität auszuführen:
- Es entwindet die doppelsträngige DNA (dsDNA).
- Ein Strang wird schrittweise und mit kontrollierter Geschwindigkeit durch die Nanopore geführt.
- Der zweite Strang bleibt außerhalb der Pore.
Damit startet der eigentliche Sequenzierprozess.

Abb. 2.4.1-C: Schema der Sequenzierzelle und des Ionenstroms im Ruhezustand
(nicht maßstabsgetreu)Die Sequenzierzelle besteht aus zwei Kammern: der cis-Kammer (oben) und der trans-Kammer (unten), die durch eine Membran mit eingebetteten Nanoporen getrennt sind. Links hat ein DNA-Molekül mithilfe eines Motorproteins an eine Nanopore angedockt. Rechts ist eine leere Nanopore dargestellt, durch die ein konstanter Ionenstrom fließt.
Die angelegte Spannung zwischen der negativen Elektrode in der cis-Kammer und der positiven Elektrode in der trans-Kammer treibt den Ionenfluss durch die Pore an. Der Ionenstrom wird im Well (einem kleinen Kanal im Chip unterhalb der Pore) gemessen, wie im Strom-Zeit-Diagramm dargestellt. Solange keine DNA durch die Pore wandert, bleibt der Strom konstant.Das Motorprotein – der Taktgeber der Sequenzierung
Die vorbereitete DNA trägt an ihrem Ende einen Adapter mit einem Motorprotein (einer Helikase). Sobald dieses Molekül in die Nähe der Nanopore gelangt, setzt sich das Protein wie ein passgenauer Deckel auf den Rand der Pore („Docking“). Die elektrische Spannung im System wirkt dabei wie ein unsichtbarer Sog, der die DNA ins Innere der Pore zieht.
Der elektrische Zug unterstützt dabei die Aktivität des Motorproteins. Dieses wirkt wie ein Keil, der den Doppelstrang behutsam auseinanderhebelt. Die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren – die „Sprossen“ der DNA-Leiter – brechen unter diesem Druck auf, da sie deutlich schwächer sind als die stabilisierenden Bindungskräfte innerhalb des Proteins. So wird die doppelsträngige DNA (dsDNA) wie ein Reißverschluss aufgezippt, ohne dass das chemische Rückgrat der Stränge beschädigt wird.
An diesem Punkt beginnt die präzise Kontrolle: Im Inneren des Motorproteins greifen vier bis sechs DNA-bindende Schleifen (sogenannte Hairpins oder Loops) nach dem nun freigelegten Einzelstrang (ssDNA). Diese Greifarme sind spiralig angeordnet, vergleichbar mit den Stufen einer Wendeltreppe oder dem Gewinde einer Schraube.
Man kann sich das Protein als eine „atmende Schraube“ vorstellen: Durch die Zufuhr von Energie (ATP) verändert das Protein rhythmisch seine Form. Es zieht sich zusammen und dehnt sich wieder aus. Bei jeder dieser Bewegungen lösen die obersten Greifarme ihren Griff, rücken ein Stück vor und packen die DNA weiter oben neu, während die unteren Arme den Strang sicher festhalten und kontrolliert nach unten in die Pore schieben.
Diese treppenförmige Anordnung sorgt dafür, dass die DNA nicht unkontrolliert durch die Pore schießt, sondern Schritt für Schritt – also Base für Base – hindurchgeführt wird. Es ist dieser exakte, mechanische Takt des Motorproteins, der es der Nanopore ermöglicht, das elektrische Signal jeder einzelnen Base in aller Ruhe zu registrieren.
5️⃣ Die DNA passiert die Nanopore – das Signal entsteht
DNA besitzt aufgrund ihrer Phosphatgruppen eine negative elektrische Ladung. Durch die angelegte Spannung zwischen der negativ geladenen cis-Kammer und der positiv geladenen trans-Kammer wird der Einzelstrang durch die Nanopore gezogen.
Hier übernimmt das Motorprotein eine entscheidende Funktion:
- Es bewegt die DNA schrittweise durch die Pore.
- Dadurch wird die Geschwindigkeit stark reduziert.
- Die Bewegung erfolgt langsam, gleichmäßig und kontrolliert.
Ohne diese Kontrolle würde die DNA mit einer Geschwindigkeit von Millionen Basen pro Sekunde durch die Nanopore schießen. Das Motorprotein bremst diese Bewegung auf etwa 300–450 Basen pro Sekunde. Erst dadurch wird eine zuverlässige Signalmessung möglich.
Während der DNA-Strang durch die Pore wandert, beeinflusst er den Ionenstrom. Jede Base besitzt eine leicht unterschiedliche Größe und chemische Struktur. Diese Unterschiede verändern den Stromfluss auf charakteristische Weise.
Die Stromänderungen werden von Elektroden gemessen, die mit den einzelnen Wells im Chip verbunden sind. Jeder Well enthält eine Nanopore und besitzt eine eigene Messeinheit. Dadurch kann die Software die Signale eindeutig einer bestimmten Pore zuordnen.
6️⃣ Das elektrische Signal wird aufgezeichnet
Während der Sequenzierung befinden sich typischerweise etwa fünf bis sechs Basen gleichzeitig im engsten Bereich der Nanopore. Dieses kurze DNA-Segment wird als k-mer bezeichnet. Es wirkt im Porenkanal wie ein elektrischer Widerstand: Unterschiedliche Basenkombinationen beeinflussen den Ionenfluss jeweils auf charakteristische Weise und erzeugen dadurch unterschiedliche Stromsignale.
Die DNA-Sequenz lässt sich rekonstruieren, weil sich die DNA Schritt für Schritt durch die Pore bewegt und jedes k-mer ein charakteristisches elektrisches Signal erzeugt. Spezialisierte Software analysiert diese Abfolge von Stromsignalen mithilfe maschinellen Lernens, das die komplexen Signalmuster den jeweiligen Basenabfolgen zuordnet. Dieser Prozess wird Basecalling genannt.
Auf diese Weise entsteht aus den elektrischen Messwerten Schritt für Schritt die vollständige Nukleotidsequenz.

Abb. 2.4.1-D: Das Prinzip der Nanopore-Sequenzierung 1) Die Sequenzierzelle im Querschnitt
Ein DNA-Einzelstrang wird aufgrund der angelegten Spannung von der cis-Seite zur trans-Seite gezogen. Das Motorprotein sitzt oberhalb auf der Nanopore. Es wirkt dabei wie eine molekulare Bremse und kontrolliert den Vorschub der DNA. Dadurch wird der Einzelstrang mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 Basen pro Sekunde durch die Pore bewegt, sodass jedes Signal präzise gemessen werden kann.
In der engsten Stelle der Pore (hier als Messbereich gekennzeichnet) befinden sich gleichzeitig mehrere Basen – typischerweise etwa fünf Nukleotide, ein sogenanntes k-mer. Dieses kurze DNA-Segment verengt den Porenkanal.
Die Ionen (kleine rote Punkte) versuchen weiterhin durch die Pore zu strömen. Da das k-mer den verfügbaren Raum einschränkt, können nur noch weniger Ionen passieren. Dadurch entsteht ein charakteristisches Stromsignal.2) Die Daten im Strom-Zeit-Diagramm
Die Y-Achse zeigt den Ionenstrom in Picoampere (pA), die X-Achse die Zeit in Millisekunden (ms).
Ein k-mer befindet sich typischerweise für etwa 2 bis 3 Millisekunden im engsten Bereich der Pore. Während dieser Zeit werden mehrere einzelne Strommesswerte für genau diese Basenkombination aufgezeichnet.
Dabei entsteht im Diagramm ein leicht schwankendes Plateau, das durch elektrisches Rauschen verursacht wird. Die braunen Verbindungslinien zwischen den Plateaus markieren den Moment, in dem das Motorprotein die DNA um eine Base weitertransportiert und dadurch ein neues k-mer in den Messbereich gelangt.3) Basecalling – Umwandlung der Stromsignale in Basen
Die charakteristischen Stromsignale – die Plateaus im Strom-Zeit-Diagramm – entsprechen jeweils dem elektrischen Signal eines bestimmten k-mers, also einer kurzen Basenkombination, die sich für wenige Millisekunden im Messbereich der Pore befindet.
Basecalling-Algorithmen, die häufig auf neuronalen Netzen basieren, analysieren diese Abfolge von Stromsignalen. Aus den charakteristischen Mustern der Signale rekonstruieren sie die zugrunde liegende DNA-Basensequenz.🎥 Tipp: Das Video „How nanopore sequencing works“ fasst den Prozess anschaulich zusammen.
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Ergebnis der Nanopore-Sequenzierung
Die Nanopore-Sequenzierung liefert keinen einzelnen Messwert, sondern einen umfangreichen Datensatz aus vielen individuellen Sequenzreads. Jeder dieser Reads entspricht der Analyse eines einzelnen DNA- oder RNA-Moleküls. Aus der Gesamtheit dieser Einzelmessungen ergibt sich ein detailliertes Bild der in der Probe enthaltenen Nukleinsäuren.
Dabei können grundsätzlich alle in der Probe vorhandenen DNA- oder RNA-Moleküle erfasst werden, ohne dass eine spezifische Zielsequenz vorgegeben werden muss. Die Methode ist somit nicht zielgerichtet, sondern explorativ.
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Zwei zentrale Informationsebenen: Identität und Quantität
Die gewonnenen Sequenzdaten enthalten zwei komplementäre Informationsebenen:
Identität (Sequenzinformation)
Für jedes einzelne Molekül kann die Nukleotidsequenz bestimmt werden. Daraus ergeben sich Informationen über:
- Effizienz der Bibliotheksvorbereitung
- Moleküllänge
- Sequenzeigenschaften
- mögliche Sequenzvarianten
- sowie – mit methodischen Einschränkungen – chemische Modifikationen
Auf dieser Grundlage lässt sich bestimmen, welche Nukleinsäuren in einer Probe vorhanden sind.
Quantität (relative Häufigkeit)
Zusätzlich kann über die Anzahl der Reads abgeschätzt werden, wie häufig bestimmte Sequenzen oder Molekültypen in der Probe vertreten sind. Dabei handelt es sich jedoch nicht um eine absolute Quantifizierung, sondern um eine relative Annäherung, die von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, etwa:
- Effizienz der Bibliotheksvorbereitung
- Moleküllänge
- Sequenzeigenschaften
Die quantitative Aussagekraft der Methode ist daher stets im Kontext dieser Einflussgrößen zu interpretieren.
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Parallele Einzelmolekülmessung in Echtzeit
Die Datenerzeugung erfolgt durch eine große Anzahl parallel arbeitender Nanoporen innerhalb der sogenannten Flow Cell. Geräte wie das MinION verfügen über mehrere hundert aktive Messkanäle, die gleichzeitig und unabhängig voneinander arbeiten.
Jede Nanopore analysiert jeweils ein einzelnes Molekül. Sobald ein Sequenzvorgang abgeschlossen ist, steht die Pore unmittelbar für das nächste Molekül zur Verfügung. Auf diese Weise entsteht kontinuierlich eine große Zahl individueller Reads.
Die Messung erfolgt in Echtzeit, wobei die Software die Signale vieler einzelner Poren gleichzeitig erfasst und verarbeitet.
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Charakter der Daten: Verteilung statt Einzelwert
Ein wesentliches Merkmal der Nanopore-Sequenzierung ist, dass die Ergebnisse nicht als einheitlicher Messwert vorliegen, sondern als Verteilung vieler einzelner Sequenzreads. Diese Reads können sich deutlich unterscheiden in:
- Länge
- Sequenz
- Qualität
Insbesondere in komplexen Proben entstehen typischerweise:
- kurze Fragmente
- längere zusammenhängende Moleküle
- unterschiedliche Molekülpopulationen
Die Analyse besteht daher nicht in der Betrachtung einzelner Reads, sondern in der Auswertung der Gesamtheit dieser Verteilung.
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Besonderheit der Methode: Long Reads
Ein charakteristisches Merkmal der Nanopore-Technologie ist die Fähigkeit, sehr lange Nukleinsäuremoleküle kontinuierlich zu sequenzieren. Im Gegensatz zu Short-Read-Verfahren (wie der Illumina-Sequenzierung), bei denen DNA zunächst in kurze Fragmente zerlegt und anschließend bioinformatisch rekonstruiert wird, können hier zusammenhängende Moleküle direkt erfasst werden.
Die Länge eines Reads ist dabei prinzipiell nicht durch die Technologie begrenzt, sondern wird hauptsächlich durch die Integrität des Ausgangsmoleküls bestimmt.
Dies ermöglicht insbesondere:
- die direkte Analyse vollständiger Moleküle
- die Unterscheidung zwischen intakten Sequenzen und Fragmenten
- die Untersuchung struktureller Zusammenhänge innerhalb einzelner Moleküle
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Grenzen und methodische Einflüsse
Trotz dieser Vorteile unterliegt die Nanopore-Sequenzierung verschiedenen methodischen Einschränkungen:
Fehlerrate einzelner Reads
Die Genauigkeit einzelner Sequenzreads ist im Vergleich zu klassischen Short-Read-Verfahren geringer. Ursache hierfür ist die indirekte Bestimmung der Sequenz über elektrische Stromsignale. Bestimmte Sequenzmotive, insbesondere homopolymere Bereiche (z. B. lange Wiederholungen derselben Base), können dabei schwieriger aufgelöst werden.
Selektions- und Prozessbias
Nicht alle Moleküle werden mit gleicher Wahrscheinlichkeit erfasst. Unterschiede in Länge, Struktur oder Adapterbindung können dazu führen, dass bestimmte Sequenzen bevorzugt oder seltener sequenziert werden.
Insbesondere die Bibliotheksvorbereitung kann die Zusammensetzung der später sequenzierten Moleküle beeinflussen. Reinigungsschritte mit magnetischen Beads oder andere größenabhängige Prozessschritte können sehr kurze Fragmente teilweise entfernen oder unterrepräsentieren. Gleichzeitig werden längere Moleküle bei der Nanopore-Sequenzierung häufig effizienter erfasst, da sie länger durch die Pore laufen und dadurch stabilere Signale erzeugen.
Die resultierende Read-Verteilung spiegelt daher nicht zwangsläufig exakt die ursprüngliche Fragmentverteilung der Probe wider.
Abhängigkeit von der Probenqualität
Die Qualität und Integrität der Ausgangsnukleinsäuren beeinflussen die resultierenden Reads erheblich. Insbesondere lange Moleküle sind anfällig für Fragmentierung während der Probenvorbereitung.✧ ✧ ✧
Konsensusbildung und bioinformatische Auswertung
Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu erhöhen, werden die Daten nicht auf Basis einzelner Reads interpretiert. Stattdessen werden viele Sequenzreads desselben Molekültyps miteinander verglichen und zu einer Konsensussequenz zusammengeführt.
Da Sequenzierfehler überwiegend zufällig verteilt sind, können sie durch diese Mehrfachanalyse weitgehend reduziert werden. Moderne Basecalling- und Auswertungsverfahren, die häufig auf maschinellem Lernen basieren, tragen zusätzlich zur Verbesserung der Sequenzgenauigkeit bei.
Auf diese Weise lässt sich aus einer Vielzahl einzelner Messungen ein konsistentes und belastbares Gesamtbild ableiten.
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Einordnung für die Analyse von Nukleinsäuren
Die Nanopore-Sequenzierung ermöglicht somit eine detaillierte Charakterisierung von Nukleinsäuren hinsichtlich ihrer Sequenz, Länge und relativen Häufigkeit. Gleichzeitig erfordert die Interpretation der Daten eine Berücksichtigung methodischer Einflüsse, insbesondere im Hinblick auf Quantifizierung und Repräsentativität der erfassten Moleküle.
2.4.2. Illumina-Sequenzierung
Die Nanopore-Sequenzierung ermöglicht die Analyse langer, zusammenhängender Moleküle in Echtzeit – ihre besondere Stärke liegt in der Erfassung vollständiger Sequenzen, ohne dass diese zuvor zwingend in kurze Standardfragmente zerlegt werden müssen. Eine andere Herangehensweise verfolgt die Illumina-Sequenzierung: Sie arbeitet nicht mit einzelnen langen Molekülen, sondern mit einer sehr großen Zahl kurzer Fragmente, die parallel und hochpräzise gelesen werden. Beide Technologien ergänzen sich – sie beantworten unterschiedliche Fragen mit unterschiedlichen Mitteln.
Die Illumina-Sequenzierung ist ein Short-Read-Verfahren und gehört zur Gruppe der sogenannten Next Generation Sequencing (NGS)-Technologien. Sie ist derzeit das weltweit am weitesten verbreitete Sequenzierverfahren.
Das Grundprinzip unterscheidet sich deutlich von der Nanopore-Technologie: Während ONT einzelne Moleküle in Echtzeit durch eine Pore führt und dabei elektrische Signale misst, basiert Illumina auf einem optischen Verfahren – der sequenzierenden Synthese mit fluoreszenzmarkierten Nukleotiden („Sequencing by Synthesis“). Dabei wird die DNA nicht direkt gelesen, sondern während einer kontrollierten Synthesereaktion schrittweise entschlüsselt.
Funktionsprinzip
1️⃣ Vorbereitung der DNA-Fragmente = Bibliothekserstellung
Für die Sequenzierung wird die DNA zunächst in ein Format gebracht, das für die Illumina-Plattform geeignet ist. Dieser Prozess wird auch als Bibliothekserstellung bezeichnet und er umfasst folgende Teilschritte:
a) Fragmentierung
Die DNA wird mechanisch oder enzymatisch in kleinere Stücke zerlegt (typischerweise mit einer Zielgröße von etwa 150–500 Basenpaaren). Dabei entstehen DNA-Fragmente leicht unterschiedlicher Länge, die anschließend oft noch über ein Größenauswahlverfahren vereinheitlicht werden.
Dieser Schritt ist besonders wichtig, wenn lange DNA-Moleküle sequenziert werden sollen, da die Illumina-Technologie kurze Fragmente effizienter verarbeitet als sehr lange zusammenhängende Moleküle.
In einigen Anwendungen kann die Fragmentierung jedoch bewusst reduziert oder ganz weggelassen werden – insbesondere dann, wenn bereits stark fragmentierte DNA untersucht wird. Auch in solchen Ansätzen werden sehr lange Fragmente (typischerweise oberhalb von etwa 800–1000 bp) im weiteren Verlauf der Bibliotheksvorbereitung und Sequenzierung häufig weniger effizient erfasst und können dadurch unterrepräsentiert sein.
Zur Veranschaulichung betrachten wir in unserem Beispiel drei DNA-Fragmente mit leicht unterschiedlichen Längen.
b) Adapter-Ligation
An beide Enden der DNA-Fragmente werden spezifische Adaptersequenzen (P5- und P7-Adapter) angehängt. Diese Adapter erfüllen mehrere Funktionen:
Bindungsstellen für die Flowcell: Die Adapter enthalten spezielle DNA-Sequenzen, die wie ein Schlüssel zu einem Schloss passen. Dadurch können die DNA-Fragmente später an einer Oberfläche haften bleiben, was für die Sequenzierung wichtig ist.
Primer-Bindungsstellen: Die Adapter enthalten Abschnitte, an die Sequenzierungsprimer binden können. Diese Primer werden später genutzt, um die DNA-Stränge schrittweise zu synthetisieren.
Indizes (optional): Falls mehrere Proben gleichzeitig sequenziert werden, ermöglichen Index-Sequenzen die Zuordnung der Fragmente zu ihrer jeweiligen Probe. Zur besseren Übersichtlichkeit verzichten wir in unserem Beispiel auf die Darstellung der Indizes.
c) PCR-Amplifikation
Um sicherzustellen, dass genügend DNA für die Sequenzierung vorliegt, werden die adaptierten DNA-Fragmente mittels Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt.

Abb. 2.4.2-A: Bibliothekserstellung – Übersicht über den Ablauf der DNA-Präparation. Die folgende Vergrößerung zeigt eine detaillierte Darstellung eines fragmentierten DNA-Doppelstrangs, versehen mit den beiden Adaptern.

Abb. 2.4.2-B: Schematische Darstellung eines doppelsträngigen DNA-Fragments mit Adaptern. Jedes DNA-Fragment erhält zwei Adaptersequenzen: Der P5-Adapter besteht aus der P5-Adaptersequenz, die die Bindung an die Flowcell ermöglicht, und der Primer-Bindestelle Rd1SP (Read 1 Sequencing Primer) zur Initiation der DNA-Synthese. Ebenso enthält der P7-Adapter die P7-Adaptersequenz zur Flowcell-Bindung sowie die Primer-Bindestelle Rd2SP (Read 2 Sequencing Primer) für die Initiation der DNA-Synthese.
Diese Darstellung ist stark vereinfacht. In der Praxis sind Illumina-Adaptersequenzen mit 60-120 Basenpaarendeutlich länger. Auch das DNA-Fragment ist zur besseren Veranschaulichung verkürzt – tatsächlich haben DNA-Fragmente typischerweise eine Länge von 100–500 Basenpaaren.2️⃣ Cluster-Generierung auf einer Flowcell
Das Herzstück der Illumina-Technologie ist die sogenannte Flowcell – eine glasartige Oberfläche, die mit Millionen kurzer, fest verankerter DNA-Bindestellen beschichtet ist.

Abb. 2.4.2-C: Schematische Darstellung einer Flowcell und deren Oberfläche a) DNA-Fragmente binden an die Flowcell-Oberfläche
Zu Beginn dieses Schritts wird eine Lösung einzelsträngiger DNA-Fragmente auf die Flowcell geleitet. Die Fragmente tragen an ihren Enden die zuvor ligierten Adaptersequenzen und wurden durch Denaturierung in Einzelstränge überführt, sodass sie frei in der Lösung vorliegen.
Während die Fragmente über die Flowcell strömen, binden ihre Adapter durch komplementäre Basenpaarung an passende DNA-Bindestellen auf der Oberfläche.
Zur Veranschaulichung kann man sich die Oberfläche der Flowcell wie einen dichten Klettverschluss vorstellen: Die Adaptersequenzen der DNA-Fragmente haften an komplementären Bindestellen der Flowcell – ähnlich wie kleine Haken, die sich im Klettgewebe verankern
b) Erste Synthese
Nachdem die DNA-Fragmente an die Flowcell gebunden wurden, beginnt die erste DNA-Synthese. Hierzu bindet ein Primer an die Adaptersequenz des immobilisierten Einzelstrangs. Anschließend synthetisiert die DNA-Polymerase einen komplementären Gegenstrang.
Im nächsten Schritt wird der ursprüngliche Einzelstrang entfernt, während der neu synthetisierte Strang an der Flowcell gebunden bleibt.

Abb. 2.4.2-D: Schematische Darstellung der ersten Synthese: Entstehung der verankerten DNA-Strang-Kopien. Links: Primer binden an die Adapter (P5, P7), und die DNA-Polymerase (DNAP) startet die Synthese eines neuen, komplementären Strangs.
Mitte: Die DNA-Polymerase synthetisiert daraufhin einen ersten Strang.
Rechts: Der neue entstandene DNA-Doppelstrang wird aufgetrennt. Der ursprüngliche Strang hat nach der Denaturierung keine Verbindung mehr zur Flowcell und wird ausgespült. Der neu synthetisierte Strang bleibt mit seinem 5′-Ende fest an der Flowcell gebunden.Zu diesem Zeitpunkt wäre eine direkte Sequenzierung noch nicht sinnvoll, da die Fluoreszenzsignale einzelner Moleküle zu schwach wären, um zuverlässig detektiert zu werden. Deshalb folgt nun die sogenannte Brückenamplifikation.
c) Brückenamplifikation
Damit die spätere Sequenzierung ein ausreichend starkes Fluoreszenzsignal erzeugt, müssen die an der Flowcell gebundenen DNA-Moleküle zunächst vervielfältigt werden.
Der Prozess beginnt damit, dass sich ein gebundener DNA-Einzelstrang aufgrund seiner Flexibilität zur Oberfläche zurückbiegt und mit seinem freien Adapterende an eine benachbarte komplementäre Bindestelle auf der Flowcell bindet. Dadurch entsteht eine charakteristische Brückenstruktur.

Abb. 2.4.2-E: Brückenbildung und DNA-Synthese Anschließend synthetisiert die DNA-Polymerase entlang des gebundenen Strangs einen komplementären Gegenstrang. Nach der Synthese wird die Brückenstruktur wieder aufgetrennt, sodass nun zwei fest an der Flowcell verankerte Einzelstränge vorliegen.

Abb. 2.4.2-F: Vorwärts und rückwärts: Die Brücken lösen sich. Nach dem Kopiervorgang werden die Brücken-Doppelstränge getrennt. Die Anzahl der fest verankerten DNA-Stränge verdoppelt sich. Sie sind bereit für die weitere Amplifikation.
Dieser Vorgang wiederholt sich vielfach. Mit jedem Zyklus verdoppelt sich die Zahl der gebundenen DNA-Moleküle.

Abb. 2.4.2-G: Mit jeder Wiederholung der Brückenamplifikation entstehen mehr DNA-Kopien. Auf diese Weise entstehen lokal begrenzte Cluster aus Millionen nahezu identischer Kopien eines einzelnen ursprünglichen DNA-Fragments.

Abb. 2.4.2-H: Clusterbildung: Jedes Cluster besteht aus zahlreichen Kopien eines einzelnen DNA-Fragments. In dieser Darstellung sind exemplarisch nur drei Cluster gezeigt. In der Realität befinden sich jedoch Millionen solcher Cluster auf einer Flowcell, um eine hohe Sequenzierkapazität zu ermöglichen.
Das Ergebnis ist eine dicht gepackte Oberfläche aus Millionen räumlich getrennten DNA-Clustern, von denen jeder aus vielen nahezu identischen Kopien eines einzelnen ursprünglichen DNA-Fragments besteht. Dadurch können Millionen unterschiedlicher Sequenzen parallel analysiert werden.
Ohne diese Vervielfältigung wäre das Lesen der DNA, als würde man versuchen, ein einzelnes Glühwürmchen im Wind zu erkennen. Die Cluster hingegen machen die DNA-Basen (A, T, C, G) deutlich sichtbar – wie ein leuchtender Neon-Schriftzug in der Dunkelheit.
Entfernung eines Strangtyps
Damit die spätere Sequenzierung synchron und eindeutig ablaufen kann, müssen die DNA-Stränge innerhalb jedes Clusters in einheitlicher Orientierung vorliegen. Daher wird vor Beginn der eigentlichen Sequenzierung gezielt einer der beiden Strangtypen entfernt.
Die nicht benötigten Gegenstränge werden chemisch abgespalten und ausgespült. Gleichzeitig werden bestimmte freie Enden auf der Flowcell blockiert, um unerwünschte Neubindungen oder weitere Amplifikation zu verhindern.
Anschließend bestehen die Cluster aus vielen gleich orientierten Einzelsträngen. Die DNA-Bibliothek ist damit für die eigentliche Sequenzierung vorbereitet.
3️⃣ Sequenzieren durch Synthese
Um die Sequenzierung zu starten, werden Primer, DNA-Polymerasen und modifizierte Nukleotide auf die Flowcell gegeben. Jedes der vier Nukleotide (A, T, G und C) trägt dabei eine eigene Fluoreszenzmarkierung sowie eine reversible chemische Blockierung.
Die Primer hybridisieren mit den DNA-Strängen der Bibliothek. Anschließend bindet die DNA-Polymerase an den Primer und beginnt mit der Synthese des komplementären Strangs.
Durch die reversible Blockierung kann pro Zyklus jeweils nur ein einziges Nukleotid eingebaut werden. Nach dem Einbau stoppt die Synthese vorübergehend.
Anschließend wird die Flowcell mit hochauflösenden Kameras abgebildet. Die Fluoreszenzfarbe jedes Clusters zeigt an, welches Nukleotid in diesem Zyklus eingebaut wurde. Eine Auswertungssoftware analysiert die Signale und übersetzt sie in die entsprechende Basenabfolge.
Danach werden überschüssige Nukleotide ausgespült. In einem weiteren chemischen Schritt werden sowohl die Fluoreszenzmarkierung als auch die Blockierung des eingebauten Nukleotids entfernt, sodass der nächste Synthesezyklus beginnen kann.
Dieser Ablauf wiederholt sich Zyklus für Zyklus. Auf diese Weise wird die Sequenz jedes DNA-Fragments schrittweise ausgelesen.

Abb. 2.4.2-I: Illumina Sequenzierungsschritte 4️⃣ Datenauswertung
Nach Abschluss der Sequenzierung liegen Millionen einzelner Fluoreszenzsignale vor. Diese Rohdaten werden zunächst durch die Gerätesoftware in Basenabfolgen übersetzt. Das Ergebnis sind kurze Sequenzabschnitte, sogenannte Reads.

Abb. 2.4.2-J: Analyse der Sequenzierdaten 🎥 Tipp: Eine ausführlichere und dennoch anschauliche Erklärung der Illumina-Sequenzierungstechnologie Methode findet sich im Video „Illumina Sequencing Technology“.
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Qualitätskontrolle und Trimming
Im ersten Schritt wird die Qualität der Reads überprüft. Basen mit niedriger Signalqualität – typischerweise an den Enden der Reads – werden entfernt („Trimming“). Dadurch sollen fehlerhafte Sequenzzuordnungen reduziert und die Zuverlässigkeit der weiteren Analyse verbessert werden.Mapping: Zuordnung zu einer Referenzsequenz
Anschließend werden die Reads mit bekannten Referenzsequenzen abgeglichen, beispielsweise mit dem Plasmid des Impfstoffherstellers oder bakteriellen Referenzgenomen. Spezielle Algorithmen (z. B. BWA-MEM oder Bowtie2) suchen nach Übereinstimmungen und ordnen die Reads den wahrscheinlichsten Positionen innerhalb der Referenz zu.
Auf diese Weise lässt sich bestimmen, welche Sequenzen in der Probe vorhanden sind und aus welchen Quellen sie stammen.Bestimmung der Fragmentlängen
Bei der häufig verwendeten Paired-End-Sequenzierung wird jedes DNA-Fragment von beiden Enden gelesen. Aus dem Abstand zwischen den beiden Reads kann die Länge des ursprünglichen DNA-Fragments abgeschätzt werden.
Diese Information ist besonders relevant für die Analyse fragmentierter DNA-Proben.Identifizierung der DNA-Herkunft
Durch den Vergleich mit Referenzdatenbanken lässt sich analysieren, ob die nachgewiesenen Fragmente beispielsweise:
▪️aus dem erwarteten Produktionsplasmid stammen,
▪️bakterielle Sequenzen enthalten,
▪️oder anderen genetischen Quellen zugeordnet werden können.
Dadurch ermöglicht die Illumina-Sequenzierung nicht nur eine Quantifizierung, sondern auch eine detaillierte Charakterisierung der vorhandenen DNA.Normalisierung der Daten
Die Anzahl der erzeugten Reads hängt unter anderem von der Sequenziertiefe ab. Um verschiedene Proben oder Chargen vergleichen zu können, werden die Daten häufig normalisiert, beispielsweise als „Reads pro Million“ (RPM). Dadurch lassen sich relative Unterschiede zwischen Proben besser beurteilen.◈ ◈ ◈
Methodische Einschränkungen
Begrenzte Aussagekraft für absolute Mengenbestimmungen
Die Illumina-Sequenzierung eignet sich hervorragend zur Identifizierung und relativen Häufigkeitsanalyse von DNA-Fragmenten. Eine direkte absolute Quantifizierung der ursprünglichen DNA-Menge ist jedoch nur eingeschränkt möglich.
Der Grund dafür ist, dass die Bibliotheksvorbereitung selbst die Zusammensetzung der Probe verändern kann. Schritte wie PCR-Amplifikation, Adapter-Ligation oder Größenselektion können bestimmte Fragmente bevorzugen oder benachteiligen. Die Anzahl der später erzeugten Reads ist daher nicht zwangsläufig proportional zur ursprünglichen Häufigkeit der DNA-Fragmente in der Probe.
Verzerrung der Fragmentlängenverteilung
Bei der Short-Read-Sequenzierung werden bevorzugt DNA-Fragmente innerhalb eines bestimmten Größenbereichs analysiert. Sehr kurze Fragmente können während der Aufreinigung verloren gehen, während sehr lange Fragmente bei der Amplifikation und Clusterbildung benachteiligt werden.
Die gemessene Fragmentlängenverteilung spiegelt daher nicht zwangsläufig die ursprüngliche Verteilung der DNA-Fragmente in der Probe wider, sondern die Verteilung der erfolgreich sequenzierten Fragmente.
2.5. Elektrophoretische Fragmentanalyse
Die elektrophoretische Fragmentanalyse ist ein etabliertes Standardverfahren der Molekularbiologie zur Auftrennung und Charakterisierung von Nukleinsäuren (DNA und RNA). Je nach Methodik können daraus Aussagen über mehrere zentrale Parameter abgeleitet werden:
- Größe (Fragmentlänge): angegeben in Basenpaaren (bp) bei DNA bzw. Nukleotiden (nt) bei RNA
- Menge: semiquantitative Abschätzung der vorhandenen Nukleinsäure
- Integrität: Grad der Fragmentierung bzw. Unversehrtheit der Moleküle
Das Verfahren basiert auf dem physikalischen Prinzip der Elektrophorese (Transport durch Elektrizität). Dabei werden geladene Moleküle wie DNA oder RNA in einem elektrischen Feld durch ein Trägermedium (meist ein Gel oder eine polymerbasierte Matrix) bewegt. Aufgrund ihrer negativ geladenen Phosphatgruppen wandern Nukleinsäuren dabei in Richtung der positiv geladenen Elektrode.
Die Trennung erfolgt über die Porenstruktur des Mediums: Kleinere Fragmente bewegen sich schneller durch das Netzwerk, während größere Moleküle stärker zurückgehalten werden. Auf diese Weise entsteht eine größenabhängige Auftrennung der Nukleinsäuren.
Im Kontext der Analyse von Rest-DNA in mRNA-basierten Arzneimitteln erlaubt diese Methode insbesondere eine Abschätzung der Fragmentlängenverteilung und ergänzt damit quantitative und sequenzbasierte Nachweisverfahren.
2.5.1. Agarosegelelektrophorese
2.5.2. Automatisierte Systeme◦ ◦ ◦
2.5.1. Agarosegelelektrophorese
Die Agarosegelelektrophorese ist die klassische und am weitesten verbreitete Form der elektrophoretischen Fragmentanalyse von DNA. Sie dient dazu, Nukleinsäuren anhand ihrer Größe aufzutrennen und sichtbar zu machen.
Aufbau des Systems
Das zentrale Element ist ein Gel aus Agarose, einem polysaccharidbasierten Netzwerk, das aus Algen gewonnen wird. Dieses Gel bildet eine dreidimensionale Matrix mit Poren definierter Größe. Die Porengröße kann über die Agarosekonzentration gesteuert werden: Niedrige Konzentrationen erzeugen größere Poren (geeignet für lange DNA-Fragmente), höhere Konzentrationen kleinere Poren (für kurze Fragmente).
Das Gel wird in eine Pufferlösung eingebettet und in eine Elektrophoresekammer gelegt. An beiden Enden der Kammer befinden sich Elektroden (Kathode/Anode), zwischen denen eine konstante elektrische Spannung angelegt wird.
Vor Beginn der Elektrophorese werden die Proben in kleine Taschen (Wells) am Rand des Gels pipettiert.
In komplexen Proben, wie sie nach der in-vitro-Transkription und enzymatischen Behandlung (z. B. DNase I) vorliegen, können RNA und verbleibende DNA-Fragmente gleichzeitig im Gel migrieren. Für eine gezielte Analyse der Rest-DNA wird die Probe daher häufig zusätzlich mit RNase behandelt, sodass überwiegend DNA-Fragmente sichtbar werden. Dies ermöglicht eine klarere Beurteilung der Fragmentlängenverteilung.

Abb. 2.5.1-A: Schematischer Aufbau einer Agarosegelelektrophorese-Kammer Funktionsprinzip
DNA-Moleküle besitzen aufgrund ihrer Phosphatgruppen eine negative Ladung. Wird eine elektrische Spannung angelegt, beginnen sie, sich durch das Gel in Richtung der positiv geladenen Elektrode zu bewegen.
Während der Migration wirken zwei Kräfte gegeneinander:
- die elektrische Kraft, die die DNA durch das Gel zieht
- der mechanische Widerstand der Gelmatrix
Da kleinere DNA-Fragmente weniger stark durch die Porenstruktur behindert werden, bewegen sie sich schneller durch das Gel als größere Fragmente. Dies führt zu einer größenabhängigen Auftrennung der Moleküle entlang der Laufrichtung.
Zur Größenbestimmung wird parallel eine sogenannte DNA-Leiter (Marker) mit bekannten Fragmentlängen mitgeführt. Durch den Vergleich der Laufstrecken lassen sich die Größen der unbekannten Fragmente abschätzen.
Sichtbarmachung und Auswertung
Nach dem Lauf der Elektrophorese sind die DNA-Fragmente zunächst unsichtbar. Die Sichtbarmachung der DNA erfolgt durch fluoreszierende Farbstoffe, die entweder bereits vor der Elektrophorese dem Gel zugesetzt oder nachträglich auf das Gel aufgebracht werden. Beide Verfahren sind etabliert und unterscheiden sich vor allem in ihrem Einfluss auf die Migration sowie im experimentellen Aufwand.
Das Gel aus der Elektrophoresekammer wird auf einen Transilluminator gelegt. Unter UV- oder blauem Licht leuchten die fluoreszierenden Farbstoffe, die an die DNA gebundenen haben, als Banden im Gel.
Durch den Vergleich mit dem mitgelaufenen Marker lassen sich die Größen der DNA-Fragmente abschätzen. Die Intensität der Banden erlaubt zudem eine grobe, semiquantitative Einschätzung der DNA-Menge.

Abb. 2.5.1-B: Detektion der DNA-Fragmente nach elektrophoretischer Auftrennung 🎥 Tipp: Das Video „Electrophoresis explained“ fasst das Prinzip der Agarosegelelektrophorese kurz zusammen.
2.5.2. Automatisierte Systeme
Automatisierte elektrophoretische Systeme stellen eine Weiterentwicklung der klassischen Agarosegelelektrophorese dar. Sie basieren auf demselben physikalischen Prinzip der größenabhängigen Trennung von Nukleinsäuren im elektrischen Feld, kombinieren dieses jedoch mit mikrofluidischer Technologie, integrierter Detektion und digitaler Auswertung.
Im Gegensatz zur manuellen Gelherstellung erfolgt die Trennung hier in miniaturisierten, vorgefertigten Systemen. Die Proben werden in spezielle Kartuschen oder Chips eingebracht, in denen sich feine Kanäle mit polymeren Matrizes befinden. Innerhalb dieser Mikrostrukturen werden die Nukleinsäuren unter angelegter Spannung elektrophoretisch getrennt.
Während des Laufs werden die Fragmente kontinuierlich durch fluoreszierende Farbstoffe detektiert. Die Signale werden direkt in digitale Daten umgewandelt und als sogenannte Elektropherogramme dargestellt. Anstelle von Banden im Gel entstehen dabei Peaks, deren Position die Fragmentgröße und deren Höhe beziehungsweise Fläche die relative Menge der Nukleinsäure widerspiegelt.
Zu den verbreiteten Systemen gehören unter anderem:
- der Bioanalyzer
- die TapeStation
- sowie der Fragment Analyzer
Diese Systeme unterscheiden sich in Details wie Durchsatz, Sensitivität und Automatisierungsgrad, folgen jedoch einem vergleichbaren Grundprinzip.

Abb. 2.5.2: Schematische Darstellung eines automatisierten elektrophoretischen Systems (z. B. TapeStation) mit ScreenTape-Einheit und typischem Elektropherogramm Ablauf eines automatisierten elektrophoretischen Systems (z. B. TapeStation)
1) Probenvorbereitung
Die zu untersuchenden Proben werden in Röhrchen oder eine Mikrotiterplatte (z. B. 96-Well-Format) pipettiert und mit einem kit-spezifischen Puffer gemischt. Parallel wird ein Referenzstandard (Marker) mit definierten Fragmentgrößen angesetzt.
2) Zugabe des Fluoreszenzfarbstoffs
Den Proben wird ein Fluoreszenzfarbstoff zugesetzt, der selektiv an DNA oder RNA bindet und eine spätere Detektion ermöglicht.
3) Bereitstellung des Trennmediums
Als Trägermedium dient ein sogenanntes ScreenTape – ein vorgefertigtes, mikrofluidisches System mit integrierter Gelmatrix und mehreren parallelen Trennkanälen. Je nach Anwendung werden spezifische ScreenTapes für DNA oder RNA verwendet.
4) Automatisierter Elektrophoreselauf
Proben, Marker und ScreenTape werden in das Gerät eingesetzt. Nach dem Start führt das System die Analyse automatisch durch: Die Proben werden nacheinander in die Trennkanäle überführt und unter angelegter Spannung elektrophoretisch aufgetrennt.
5) Detektion und Datenauswertung
Während der Trennung werden die fluoreszierenden Signale der Nukleinsäuren optisch erfasst (z. B. mittels Laser). Die Software verarbeitet diese Signale zu digitalen Ausgaben, insbesondere:
▫️Elektropherogrammen (Peakdarstellungen der Fragmentgrößen)
▫️Größenverteilungen
▫️sowie semiquantitativen Konzentrationsangaben🎥 Tipp: Eine anschaulische Demonstration zum Funktionsprinzip des TapeStation-Systems und der ScreenTape-Technologie bietet das Video „Agilent 2200 TapeStation System“.
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Vorteile der automatisierten Systeme
Automatisierte Systeme bieten gegenüber der klassischen Agarosegelelektrophorese mehrere entscheidende Vorteile:
- Höhere Sensitivität: Auch geringe Nukleinsäuremengen können detektiert werden
- Verbesserte Reproduzierbarkeit: Standardisierte Kartuschen und automatisierte Abläufe reduzieren experimentelle Variabilität
- Quantifizierbarkeit: Neben der Fragmentgröße kann auch die relative Konzentration genauer abgeschätzt werden
- Digitale Auswertung: Objektive und reproduzierbare Analyse ohne visuelle Interpretation von Gelbildern
Darüber hinaus liefern diese Systeme häufig zusätzliche Kennzahlen, wie z. B. mittlere Fragmentlängen oder Integritätsindizes, die eine standardisierte Bewertung der Probenqualität ermöglichen.
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DNA- und RNA-spezifische Assays
Ein wesentlicher Aspekt automatisierter Systeme ist die Verwendung spezifischer Assays für unterschiedliche Nukleinsäuretypen. In komplexen Proben werden daher häufig getrennte Analysen durchgeführt, bei denen identische Proben jeweils mit DNA- oder RNA-spezifischen Reagenzien untersucht werden.
Diese Assays unterscheiden sich unter anderem in:
- der Zusammensetzung der polymeren Matrix
- den eingesetzten Farbstoffen
- den Auswertealgorithmen
Auf diese Weise können DNA- und RNA-Fragmente unabhängig voneinander charakterisiert werden, selbst wenn sie ursprünglich in derselben Probe vorliegen.
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Aussagekraft der elektrophoretischen Fragmentanalyse
Die elektrophoretische Fragmentanalyse liefert vor allem strukturelle Informationen über Nukleinsäuren. Im Rahmen der Qualitätskontrolle mRNA-basierter Produkte ermöglicht sie insbesondere:
- die Analyse der Fragmentlängenverteilung von DNA und RNA
- die Beurteilung der RNA-Integrität
- die Unterscheidung zwischen stark fragmentierten und weitgehend intakten Nukleinsäuren
- die Identifikation dominanter Fragmentgrößen
- sowie die Detektion verbleibender DNA-Fragmente
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Grenzen der elektrophoretischen Fragmentanalyse
Sowohl klassische Agarosegele als auch automatisierte elektrophoretische Systeme besitzen methodische Grenzen, – insbesondere beim Nachweis geringer DNA-Rückstände in komplexen Proben.
- Keine Sequenzinformation: Die Methode trennt Nukleinsäuren ausschließlich nach Größe bzw. elektrophoretischer Mobilität. Ob ein Fragment aus genomischer DNA, Plasmid-DNA, mRNA oder unspezifischen Abbauprodukten stammt, kann anhand der Fragmentanalyse allein nicht bestimmt werden.
- Begrenzte Sensitivität im Vergleich zu amplifikationsbasierten Verfahren: Sehr geringe Mengen residualer DNA können unterhalb der Nachweisgrenze liegen. Verfahren wie qPCR oder ddPCR sind für die Quantifizierung kleiner DNA-Restmengen deutlich sensitiver.
- Eingeschränkte Aussage bei stark fragmentierter DNA: Stark degradierte DNA erscheint häufig lediglich als diffuser Signalbereich („Smear“). Einzelne Fragmente lassen sich dann nur eingeschränkt charakterisieren.
- Keine Aussage über biologische Funktionalität: Die Methode zeigt lediglich Größe und Mengenverteilung von Fragmenten. Ob DNA-Fragmente noch biologisch aktiv, vollständig oder potenziell transkriptionsfähig sind, bleibt unklar.
- Abhängigkeit von Farbstoffbindung und Fragmentgröße: Sehr kurze Fragmente binden teilweise weniger Farbstoff und können daher unterschätzt oder gar nicht detektiert werden. Die quantitative Aussagekraft ist insbesondere im unteren Fragmentgrößenbereich begrenzt.
- Überlappende Signale komplexer Proben: In Proben mit gleichzeitig vorhandener RNA und DNA können sich Signalbereiche überlagern. Trotz spezifischer Assays sind Fehlzuordnungen oder Hintergrundsignale nicht vollständig ausgeschlossen.
- Keine absolute Quantifizierung einzelner Zielsequenzen: Die Methode erlaubt keine gezielte Bestimmung definierter DNA-Sequenzen. Eine spezifische Identifizierung residualer Prozess-DNA ist daher nur in Kombination mit sequenzspezifischen Verfahren möglich.
Die elektrophoretische Fragmentanalyse liefert vor allem strukturelle Informationen über Nukleinsäuren und ergänzt damit quantitative sowie sequenzbasierte Verfahren um eine wichtige Perspektive auf Fragmentgröße, Integrität und Verteilung, ersetzt jedoch keine sequenzspezifischen oder funktionellen Nachweisverfahren.
2.6. Vergleich zentraler Nachweisverfahren für Nukleinsäuren
Die quantitative und qualitative Bestimmung von Nukleinsäuren bildet das Fundament zahlreicher molekularbiologischer Analysen. Je nach Methode unterscheiden sich jedoch sowohl die Aussagekraft als auch die Grenzen der Messung erheblich. Keine der etablierten Techniken liefert ein vollständiges Bild – vielmehr ergänzen sie sich gegenseitig.
UV-spektroskopische Messungen erfassen die Gesamtmenge an Nukleinsäuren in einer Probe. Dabei wird die Absorption von UV-Licht bei 260 nm gemessen. Diese Methode ist schnell und unkompliziert, unterscheidet jedoch nicht zwischen verschiedenen DNA- oder RNA-Sequenzen. Auch Verunreinigungen wie Proteine oder andere Moleküle können das Signal beeinflussen.
Fluorometrische Verfahren verwenden spezifische Farbstoffe, die bevorzugt an DNA oder RNA binden. Dadurch sind sie deutlich selektiver und empfindlicher als UV-Messungen. Dennoch liefern sie keine Informationen über die genaue Sequenz oder Herkunft der Nukleinsäuren – sie quantifizieren lediglich die vorhandene Menge bestimmter Molekülklassen.
Die elektrophoretische Fragmentanalyse ergänzt diese Verfahren um eine strukturelle Perspektive. Sie ermöglicht die Abschätzung von Fragmentgrößen, Fragmentlängenverteilungen und der Integrität von DNA oder RNA. Dadurch lassen sich beispielsweise intakte von stark fragmentierten Nukleinsäuren unterscheiden. Allerdings liefert die Methode keine Sequenzinformation und erlaubt keine eindeutige Identifikation bestimmter DNA- oder RNA-Moleküle.
PCR-basierte Verfahren (qPCR und ddPCR) ermöglichen einen hochsensitiven und spezifischen Nachweis definierter DNA-Sequenzen. Durch den Einsatz sequenzspezifischer Primer können gezielt einzelne Abschnitte des Genoms vervielfältigt und quantifiziert werden. Diese hohe Spezifität ist zugleich eine Einschränkung: Es können nur diejenigen Sequenzen detektiert werden, für die passende Primer entworfen wurden. Unbekannte oder unerwartete Sequenzen bleiben unentdeckt.
Eine weitere methodische Grenze ergibt sich aus den Anforderungen an die DNA-Beschaffenheit. Damit eine Amplifikation stattfinden kann, müssen beide Primerbindestellen vollständig in einem DNA-Fragment enthalten sein. qPCR-Amplicons sind typischerweise 80–150 Basenpaare lang. Stark fragmentierte DNA, deren Bruchstücke kürzer sind oder bei denen eine der Primerbindestellen fehlt, kann daher nicht vervielfältigt werden. Mit anderen Worten: Nur DNA-Fragmente, die die komplette Zielregion zwischen beiden Primern umfassen, sind durch qPCR nachweisbar.
Diese Abhängigkeit von der Fragmentlänge ist insbesondere dann relevant, wenn DNA durch enzymatische oder mechanische Prozesse zerkleinert wurde, wie es mittels DNase-I-Behandlung bei der Aufarbeitung von DNA-Rückständen in der mRNA-Herstellung der Fall ist. Für eine erfolgreiche qPCR/ddPCR müssen jedoch beide Primer – Forward und Reverse – auf demselben Fragment binden können. Je kürzer die Fragmente, desto geringer die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fragment beide Primerstellen trägt – ein wichtiger Aspekt bei der Bewertung von DNA-Rückständen.
Illumina-Sequenzierung basiert auf der parallelen Sequenzierung sehr vieler kurzer DNA-Fragmente. Sie liefert hochpräzise Sequenzdaten mit einer im Vergleich zu anderen Sequenziermethoden sehr geringen Fehlerrate. Dadurch eignet sie sich besonders für die genaue Analyse bekannter oder referenzierbarer Sequenzen. Die Methode erfordert jedoch eine aufwendigere Probenvorbereitung, PCR-basierte Bibliotheksverstärkung sowie leistungsfähige bioinformatische Auswertungen. Zudem werden meist nur relativ kurze Fragmente sequenziert, wodurch größere strukturelle Zusammenhänge schwieriger zu erfassen sind.
Nanopore-Sequenzierung geht einen Schritt weiter: Sie erlaubt die direkte Bestimmung der Basenabfolge einzelner DNA- oder RNA-Moleküle in Echtzeit. Dadurch können auch unbekannte Sequenzen identifiziert sowie sehr lange Fragmente analysiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie unter bestimmten Bedingungen die direkte Detektion chemischer Nukleinsäuremodifikationen. Die gewonnenen Daten erfordern allerdings eine sorgfältige bioinformatische Auswertung und weisen im Vergleich zur Illumina-Sequenzierung derzeit noch höhere Fehlerraten auf.
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Die folgende Übersicht fasst die wichtigsten Nachweisverfahren, ihre Messprinzipien sowie ihre spezifischen Stärken und Grenzen im Kontext der mRNA-Herstellung zusammen.
Methode
Was wird gemessen?
Stärken
Schwächen / Grenzen
Typische Anwendung
UV-Spektroskopie
Gesamtkonzentration aller Nukleinsäuren
Schnell und einfach, keine Reagenzien nötig, geringe Kosten
Keine Unterscheidung zwischen DNA, RNA und freien Nukleotiden, störanfällig gegenüber Verunreinigungen
Schnelle Grobbestimmung von Konzentration und Reinheit
Fluorometrie
DNA oder RNA – über Farbstoffbindung
Hohe Sensitivität, tolerant gegenüber Verun-reinigungen
Keine Sequenz-Information
Präzise Quantifizierung der Ziel-RNA
Qubit-Fluorometer
DNA oder RNA – über Farbstoffbindung (fluorometrisches Gerät)
Sehr hohe Sensitivität und Selektivität, reproduzierbare Ergebnisse
Keine Sequenz-Information, höhere Kosten als einfache Fluorometrie
Standardisierte Konzentrationsbestimmung im Labor- und GMP-Umfeld
qPCR
Spezifische DNA-Sequenzen (z. B. Template-DNA, Wirtszell-DNA)
Hohe Sensitivität, sequenz-spezifisch
Nur bekannte Zielsequenzen nachweisbar, abhängig von Primerdesign und Amplifikationseffizienz, Quantifizierung benötigt Standardkurve, anfällig für Inhibitoren
Nachweis von DNA-Rückständen
ddPCR
Absolute Kopienzahl spezifischer DNA-Sequenzen
Absolute Quantifizierung ohne Standardkurve, sehr hohe Präzision, robuster gegenüber Inhibitoren
Nur bekannte Zielsequenzen nachweisbar, abhängig von Primer-/Sondendesign und Targetintegrität, höhere Kosten, aufwändigere Proben-vorbereitung
Präzise Quantifizierung definierter DNA-Zielsequenzen in Validierungsanalysen
Agarosegel-Elektrophorese
DNA-/RNA-Fragmente nach Größe
Einfach, kostengünstig, visuelle Abschätzung von Fragmentgröße und Integrität
Geringe Auflösung, semiquantitativ, nicht für präzise Konzentrationsbestimmung geeignet, keine Sequenz-Information
Schnelle Qualitäts-kontrolle, Integritätsprüfung
Automatisierte Elektrophorese
Größe, Konzen-tration und Integrität von DNA/RNA
Hohe Auflösung, quantitativ, reproduzierbar, geringer Probenbedarf
Höhere Kosten, Verbrauchsmaterialien erforderlich
RNA-Integritäts-prüfung (RIN-Wert), Fragmentanalyse von DNA-Rückständen
Illumina-Sequenzierung (NGS)
Sequenzinformation vieler kurzer DNA-/RNA-Fragmente
Sehr hohe Genauigkeit, umfassende Abdeckung, gut etabliert
Short Reads (150–300 bp), aufwändige Probenvorbereitung, bioinformatische Auswertung erforderlich
Hochauflösende Sequenzanalyse und Charakterisierung residualer Nukleinsäuren
Nanopore-Sequenzierung
Vollständige DNA/RNA-Sequenz einzelner Moleküle
Direkte Sequenz-information, Long Reads, Echtzeit-Daten, erkennt unbekannte Sequenzen und strukturelle Varianten
Höhere Fehlerrate, komplexe Auswertung, noch begrenzt etabliert im GMP-Umfeld
Charakterisierung komplexer Nukleinsäurepopulationen, Identitätsprüfung, Integritätsanalysen
Insgesamt zeigt sich, dass jede Methode ihre spezifischen Stärken und Schwächen besitzt. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt daher stets von der jeweiligen Fragestellung ab.
Dies gilt in besonderem Maße für die Qualitätssicherung therapeutischer mRNA. Wirkstoffkonzentration, Reinheit und potentielle Verunreinigungen stellen jeweils eigene Anforderungen an die Nachweismethode.
Keine einzelne Methode beantwortet alle analytischen Fragestellungen – erst die Kombination aus Quantifizierung, struktureller Charakterisierung und Sequenzinformation ermöglicht eine umfassende Beurteilung von Nukleinsäuren.
◈ ◈ ◈
Kombinierte Anwendung der Methoden
In der praktischen Analytik werden die beschriebenen Verfahren selten isoliert eingesetzt. Stattdessen erfolgt die Charakterisierung von Nukleinsäuren in der Regel durch eine Kombination komplementärer Methoden. So kann beispielsweise eine UV-spektroskopische Messung zur schnellen Abschätzung von Konzentration und Reinheit dienen, während fluorometrische Verfahren eine selektivere Quantifizierung ermöglichen. PCR-basierte Methoden wie qPCR oder ddPCR werden eingesetzt, um spezifische DNA-Sequenzen gezielt nachzuweisen und zu quantifizieren. Sequenzierungsverfahren wie Illumina- oder Nanopore-Technologien ergänzen diese Analysen durch die direkte Bestimmung der Sequenz und ermöglichen die Identifikation auch unbekannter Sequenzen oder struktureller Varianten.
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Regulatorische Einordnung
Im regulatorischen Kontext erfordert die Qualitätssicherung therapeutischer Nukleinsäureprodukte den Einsatz validierter und standardisierter Nachweismethoden. PCR-basierte Verfahren wie qPCR und ddPCR sind hierfür etabliert und werden routinemäßig zur Quantifizierung definierter residualer DNA-Sequenzen eingesetzt. Sequenzierungsbasierte Ansätze, einschließlich der Nanopore-Technologie, gewinnen zunehmend an Bedeutung, befinden sich jedoch in vielen Anwendungsbereichen noch in der Phase der methodischen Etablierung und Validierung.

3. Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA in Impfstoffen
Rest-DNA (residual DNA), einschließlich Wirtszell-DNA oder Plasmid-DNA, bezeichnet Nukleinsäurereste aus dem Herstellungsprozess, die nach der Aufreinigung im Endprodukt verbleiben können. Wie in den vorherigen Kapiteln dargestellt, lässt sich das vollständige Entfernen dieser DNA technisch nicht erreichen, sodass geringe Restmengen als unvermeidbarer Bestandteil biotechnologischer Produkte gelten.
Die Entwicklung regulatorischer Richtlinien zur Begrenzung von Rest-DNA erfolgte parallel zum Fortschritt biotechnologischer Herstellungsverfahren. Ziel dieser Vorgaben ist es, potenzielle biologische Risiken zu minimieren. Dazu zählen insbesondere:
- Onkogenität
- Insertionsmutagenese
- Immunogenität
- sowie in bestimmten Kontexten Infektiosität (z. B. bei viralen Systemen)
Historische Entwicklung
Frühe Phase: Vorsorgeorientierter Ansatz
Mit der Einführung rekombinanter DNA-Technologien (Verfahren, bei denen DNA aus unterschiedlichen Organismen gezielt zusammengefügt wird) in den 1980er-Jahren – etwa zur Herstellung von therapeutischem Insulin oder Wachstumshormonen – entstand erstmals die Notwendigkeit, DNA-Rückstände systematisch zu bewerten.
Zu diesem Zeitpunkt bestanden erhebliche wissenschaftliche Unsicherheiten hinsichtlich der biologischen Wirkung exogener DNA. Insbesondere war unklar, unter welchen Bedingungen fremde DNA in das Genom menschlicher Zellen integriert werden und potenziell onkogene Effekte auslösen könnte.
Vor diesem Hintergrund verfolgten Regulierungsbehörden einen konservativen, vorsorgeorientierten Ansatz. Die World Health Organization (WHO) empfahl in den 1980er-Jahren einen Grenzwert von 10 pg Rest-DNA pro Dosis für Produkte aus kontinuierlichen Zelllinien (Zellen, die sich im Labor unbegrenzt teilen können). Dieser Wert basierte nicht auf einer quantitativen Risikobewertung, sondern stellte einen pragmatischen Richtwert dar, der sich an den damaligen analytischen Möglichkeiten orientierte.
Spätere Bewertungen führten zu einer Anhebung dieses Wertes; bereits Mitte der 1980er-Jahre wurden Größenordnungen von etwa 100 pg pro Dosis als vernachlässigbar eingestuft.
Paradigmenwechsel: Von der Masse zur biologischen Aktivität
In den 1990er- und 2000er-Jahren veränderte sich die regulatorische Perspektive grundlegend. Zwei Entwicklungen waren hierfür maßgeblich:
Erstens verbesserten sich die Herstellungs- und Aufreinigungsverfahren erheblich. Methoden wie Chromatographie, Filtration und enzymatische Behandlung ermöglichten eine reproduzierbare Reduktion von DNA-Rückständen um mehrere Größenordnungen.
Zweitens lieferten experimentelle Studien zunehmend quantitative Erkenntnisse zur biologischen Aktivität von DNA. Dabei zeigte sich, dass nicht allein die Gesamtmenge entscheidend ist, sondern insbesondere strukturelle Eigenschaften wie Länge und Integrität der DNA eine zentrale Rolle spielen.
Längere, intakte DNA-Fragmente mit funktionellen Genabschnitten können unter geeigneten Bedingungen theoretisch biologische Effekte entfalten. Mit zunehmender Fragmentierung nimmt dieses Potenzial jedoch deutlich ab. Kurze DNA-Fragmente besitzen eine stark reduzierte Wahrscheinlichkeit, in den Zellkern zu gelangen, stabil zu verbleiben oder in das Genom integriert zu werden.
Für eine tatsächliche Integration exogener DNA in das Genom einer Zelle müssen mehrere Voraussetzungen gleichzeitig erfüllt sein. Dazu gehören unter anderem die Aufnahme der DNA in die Zelle, ihr Transport in den Zellkern sowie das Vorliegen geeigneter zellulärer Mechanismen für eine stabile Integration. Die Wahrscheinlichkeit für das gleichzeitige Eintreten dieser Bedingungen wird unter natürlichen Bedingungen im Körper als gering eingeschätzt und nimmt mit zunehmender Fragmentierung der DNA weiter ab.
Moderne regulatorische Ansätze
Auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelten sich moderne regulatorische Konzepte hin zu einem risikobasierten und produktspezifischen Ansatz. Anstelle eines einheitlichen Grenzwertes stehen heute mehrere komplementäre Anforderungen im Vordergrund:
Anforderung Begründung Validierte
EliminierungDer Herstellungsprozess muss nachweislich und reproduzierbar zur Reduktion von DNA-Rückständen beitragen. Fragmentierung Verbleibende DNA soll möglichst in stark fragmentierter Form vorliegen. Produktspezifische
GrenzwerteAkzeptanzkriterien werden abhängig von Herstellungsprozess, Zelllinie und Anwendung definiert. Regulatorische Leitlinien von Organisationen wie der U.S. Food and Drug Administration (FDA), der European Medicines Agency (EMA) sowie dem International Council for Harmonisation (ICH) verfolgen heute überwiegend diesen differenzierten Ansatz.
Einordnung im Kontext modRNA-basierter Impfstoffe
Für modRNA-basierte Impfstoffe gelten grundsätzlich ähnliche regulatorische Prinzipien wie für andere biotechnologisch hergestellte Arzneimittel. Gleichzeitig unterscheiden sich die Herstellungsprozesse und Produktcharakteristika in einigen Punkten, insbesondere durch die in-vitro-Transkription und die Verwendung synthetischer RNA.
Im Kontext von Impfstoffen orientieren sich regulatorische Leitlinien in Bezug auf die Menge an Rest-DNA bei parenteraler Anwendung (d. h. bei Verabreichung durch Injektion oder Infusion, die den Magen-Darm-Trakt umgeht) häufig an Größenordnungen im Nanogramm-Bereich pro Dosis.
Zusätzlich wird gefordert, dass die verbleibende DNA möglichst stark fragmentiert ist und keine funktionell vollständigen Gene umfasst. In der wissenschaftlichen Literatur werden in diesem Zusammenhang häufig Fragmentlängen im Bereich unterhalb einiger hundert Basenpaare (bp) diskutiert, ohne dass ein einheitlicher Grenzwert festgelegt ist.
Diese Anforderungen spiegeln den heutigen regulatorischen Ansatz wider, der sowohl die Menge als auch die strukturellen Eigenschaften der DNA berücksichtigt.
Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen regulatorischen Dokumente zusammen, in denen Grenzwerte für Rest-DNA genannt werden.
Dokument Aussage / Kontext 1998 – WHO TRS 878, Annex 1 Historische Quelle: Erstmalige Erwähnung von <10 ng/Dosis für kontinuierliche Zelllinien 2007 – WHO Study Group on Cell Substrates for the Production of Biologicals Diskussion von <10 ng/Dosis im Zusammenhang mit stark fragmentierter DNA (z. B. <200 bp) 2013 – WHO TRS No. 978 Bestätigt <10 ng/Dosis als etablierten Standard; betont Bedeutung von Fragmentierung und Prozess; grundlegendes WHO-Dokument zu Zellsubstraten 2014 – WHO TRS 987, Annex 4 <10 ng/Dosis (im Kontext rekombinanter Proteintherapeutika) 2020 – FDA CMC Guidance (Gene Therapy) <10 ng/Dosis und <200 bp (für Gentherapie-Produkte aus kontinuierlichen nicht-tumorigenen Zellen) 2020 – Rapporteur Rolling Review critical assessment report (Josephson 2020-11-19) Acceptance Criteria: ≤ 330 ng DNA/mg RNA (abgeleitet aus 10 ng/Dosis bei 30 µg RNA pro Dosis) 2024 – WHO TRS 1062, Annex 1 (noch nicht öffentlich) Recommendations for mRNA vaccines – erwartete Nennung der Größenordnungen Dosis: Gesamtmenge des Arzneimittels pro Anwendung.
ng/Dosis (Nanogramm/Dosis): Ein Maß für die zulässige Menge an DNA-Rückständen pro Dosis.
bp (Basenpaare): Ein Maß für die Länge der DNA-Fragmente.⚬ ⚬ ⚬
Umrechnung von Messwerten auf ng pro Dosis
Um Messergebnisse aus verschiedenen Studien mit regulatorischen Richtwerten vergleichen zu können, ist eine einheitliche Bezugsgröße erforderlich. Während regulatorische Grenzwerte üblicherweise als Menge pro Dosis (ng/Dosis) angegeben werden, erfolgen analytische Messungen häufig in Bezug auf die RNA-Menge (z. B. ng DNA pro mg RNA).
Zur Vergleichbarkeit müssen diese Werte ineinander umgerechnet werden.
Grundprinzip:
DNA (ng/Dosis) = DNA (ng/mg RNA) × RNA-Menge pro Dosis (mg)Beispielrechnung
Angenommen, eine analytische Messung ergibt: 330 ng DNA pro mg RNA
und die verabreichte Dosis enthält: 30 µg RNA = 0,03 mg RNA
Dann ergibt sich: 330 ng/mg × 0,03 mg = 9,9 ng DNA pro DosisDieses Beispiel zeigt, dass Konzentrationsangaben (ng/mg RNA) und dosisbezogene Grenzwerte (ng/Dosis) direkt ineinander überführt werden können, sofern die zugrunde liegende RNA-Menge pro Dosis bekannt ist.
Das Ergebnis liegt damit in der Größenordnung von 10 ng DNA pro Dosis, was dem häufig zitierten regulatorischen Richtwert entspricht.
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Einordnung
Ein wichtiger Aspekt der regulatorischen Einordnung ist, dass keine einheitliche, universell verbindliche Grenzwertregelung für alle modRNA-Impfstoffe existiert. Stattdessen basiert die Bewertung auf einem Zusammenspiel aus allgemeinen Empfehlungen, produktspezifischen Festlegungen und risikobasierten Prinzipien.

4. Studien zu DNA-Rückständen in modRNA-basierten Impfstoffen
Nach der Darstellung der Herstellungsverfahren, potenzieller Verunreinigungen sowie der analytischen Nachweismethoden stellt sich die zentrale Frage, in welchem Umfang DNA-Rückstände in kommerziellen mRNA-Impfstoffen tatsächlich nachweisbar sind.
Seit dem Jahr 2023 wurden hierzu mehrere unabhängige Untersuchungen veröffentlicht, die sich mit der Detektion, Quantifizierung und Charakterisierung von DNA in verschiedenen Impfstoffchargen beschäftigen.
Ziel dieses Kapitels ist es, die bisherigen Studien vorzustellen, ihre methodischen Ansätze nachvollziehbar einzuordnen und die berichteten Ergebnisse darzustellen.
4.1. Warum unabhängige Messungen?
4.2. Methodische Vorbemerkungen
4.3. Übersicht und Einzelanalysen der Studien
4.4. Zwischenfazit: Was wissen wir – und was nicht?⚬ ⚬ ⚬
4.1. Warum unabhängige Messungen?
Die Zulassung eines Arzneimittels setzt voraus, dass der Hersteller die Einhaltung regulatorischer Qualitätsstandards gegenüber den zuständigen Behörden nachweist. Für mRNA-basierte Impfstoffe bedeutet das unter anderem, dass Restmengen an DNA unterhalb festgelegter Grenzwerte liegen müssen. Die entsprechenden Prüfdaten werden im Rahmen des Zulassungsverfahrens eingereicht und von den Behörden bewertet.
Was dieser Prozess strukturell nicht vorsieht, ist eine systematische Überprüfung durch unabhängige Labore nach der Marktzulassung. Behörden wie die EMA oder FDA stützen sich bei ihrer Bewertung in erster Linie auf die vom Hersteller vorgelegten Daten. Eine eigenständige Nachanalyse kommerziell erhältlicher Chargen ist nicht Bestandteil des Standardverfahrens.
Genau hier setzt unabhängige Forschung an. Seit 2023 haben mehrere Arbeitsgruppen – ohne Verbindung zu den Herstellern – kommerziell bezogene Chargen der mRNA-Impfstoffe auf DNA-Rückstände untersucht. Die Motivation dahinter war nicht primär die Erwartung eines Problems, sondern eine grundlegende Frage der wissenschaftlichen Nachvollziehbarkeit: Lassen sich die im regulatorischen Zulassungsprozess eingereichten Qualitätsangaben durch unabhängige Messungen reproduzieren?
Die Ergebnisse dieser Studien waren nicht einheitlich – weder in den gemessenen Mengen noch in der methodischen Herangehensweise. Einige Arbeitsgruppen berichteten von DNA-Gehalten, die die regulatorischen Grenzwerte überschritten; andere kamen zu abweichenden Ergebnissen oder äußerten methodische Vorbehalte gegenüber den verwendeten Verfahren.
Dieses Kapitel stellt die wichtigsten dieser Untersuchungen vor. Ziel ist keine abschließende Bewertung – der wissenschaftliche Diskurs ist noch nicht abgeschlossen –, sondern eine sachliche Darstellung der vorliegenden Befunde, der eingesetzten Methoden und der offenen Fragen.
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4.2. Methodische Vorbemerkungen
Bevor die einzelnen Studien vorgestellt werden, ist ein methodischer Rahmen hilfreich – nicht um Ergebnisse vorwegzunehmen, sondern um dem Leser ein Werkzeug an die Hand zu geben, mit dem er die Befunde einordnen kann.
Die in diesem Kapitel vorgestellten Untersuchungen stammen aus unabhängigen Laboren und unterscheiden sich teilweise deutlich hinsichtlich ihrer methodischen Ansätze und der verwendeten Nachweisverfahren.
Der Aufschluss der Lipid-Nanopartikel
Jede Analyse beginnt mit demselben Problem: Die zu messenden Nukleinsäuren – mRNA und potenzielle DNA-Rückstände – sind in Lipid-Nanopartikel (LNPs) eingeschlossen. Um sie analytisch zugänglich zu machen, müssen die Partikel zunächst aufgeschlossen werden.
In den vorliegenden Studien wurden dafür unterschiedliche Methoden eingesetzt. Detergenzien wie Triton X-100 lösen die Lipidmembran chemisch auf. Kombinationen aus Lithiumdodecylsulfat (LiDS) und magnetischen SPRI-Beads ermöglichen gleichzeitig Aufschluss und selektive Aufreinigung der Nukleinsäuren. Thermische Verfahren – etwa Erhitzen auf 95 °C – destabilisieren die Partikelstruktur durch Hitzeeinwirkung. Kommerzielle Kits wie der Monarch Plasmid DNA Miniprep Kit kombinieren mehrere Schritte zu einem standardisierten Protokoll.
Diese Methodenvielfalt ist nicht trivial. Drei Aspekte verdienen besondere Aufmerksamkeit:
Erstens unterscheiden sich die Methoden in ihrer Aufschlusseffizienz: Nicht jedes Verfahren öffnet alle Partikel vollständig. Verbleiben intakte LNPs in der Probe, bleibt ihr Inhalt für die nachfolgende Messung unsichtbar – mit der Folge, dass der tatsächliche DNA-Gehalt unterschätzt wird.
Zweitens können einige Methoden die freizusetzenden Moleküle verändern oder degradieren. Thermischer Aufschluss bei hohen Temperaturen kann insbesondere RNA fragmentieren; DNA ist thermisch stabiler, kann unter bestimmten Bedingungen jedoch ebenfalls geschädigt werden. Stark fragmentierte DNA ist, wie in Kapitel 2.6. beschrieben, für PCR-basierte Nachweisverfahren schlechter zugänglich – kurze Fragmente tragen möglicherweise nicht mehr beide Primerbindestellen und entgehen damit der Detektion.
Drittens können Rückstände bestimmter Reagenzien nachfolgende Analyseschritte stören. Detergenzien wie Triton X-100 sind bekannte PCR-Inhibitoren. Werden sie nicht vollständig entfernt, kann die Amplifikation beeinträchtigt werden – was wiederum zu einer Unterschätzung der gemessenen Menge führt. SPRI-Beads hingegen selektieren nach Fragmentgröße: Sehr kurze DNA-Fragmente können bei dieser Methode verloren gehen.
Die Wahl der Analysemethode
Nach dem Aufschluss folgt die eigentliche Messung. Auch hier unterscheiden sich die Studien erheblich. Einige Arbeitsgruppen setzten auf quantitative PCR-Verfahren (qPCR), die eine hochsensitive, aber sequenzspezifische Detektion ermöglichen. Andere nutzten Sequenzierungsverfahren – entweder die Nanopore-Technologie (ONT) oder die Illumina-Plattform – die eine breitere, sequenzunabhängige Erfassung erlauben, aber eine aufwändigere Auswertung erfordern. Teilweise wurden auch fluorometrische Verfahren zur Gesamtquantifizierung eingesetzt.
Jede dieser Methoden misst etwas leicht anderes: Fluorometrie erfasst die Gesamt-DNA unabhängig von der Sequenz, leidet jedoch unter Störungen durch RNA (Crosstalk). PCR-Verfahren erfassen nur definierte Zielsequenzen. Sequenzierungsverfahren liefern ein breiteres Bild, sind jedoch stärker von Bibliotheksvorbereitung, Fragmentselektion und bioinformatischer Auswertung abhängig. Eine direkte Vergleichbarkeit der absoluten Messwerte zwischen Studien, die unterschiedliche Methoden einsetzen, ist daher nur eingeschränkt möglich.
Validierung und Standardisierung
In der regulierten pharmazeutischen Analytik sind Messmethoden vor ihrem Einsatz zu validieren: Extraktionseffizienz, Nachweisgrenze, Linearität und mögliche Störeinflüsse müssen systematisch bestimmt werden. Bei den hier vorgestellten unabhängigen Studien fehlt diese formale Validierung in der Regel – was nicht bedeutet, dass die Arbeiten unsorgfältig durchgeführt wurden, wohl aber, dass methodische Unsicherheiten schwerer zu quantifizieren sind.
Ein direkter Vergleich derselben Probe mit mehreren Methoden parallel – ein sogenannter orthogonaler Ansatz – würde helfen, methodenbedingte Variabilität von tatsächlichen Unterschieden zwischen Chargen zu trennen. Nur einige der vorliegenden Studien setzen mehrere orthogonale Methoden systematisch an denselben Proben ein. Auf die Bedeutung dieses Ansatzes wird im abschließenden Kapitel noch eingegangen.
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4.3. Übersicht und Einzelanalysen der Studien
Die folgenden Studien unterscheiden sich hinsichtlich Methodik, Publikationsform und wissenschaftlicher Einordnung. Neben peer-reviewten Arbeiten werden auch Preprints und explorative Analysen berücksichtigt, um das derzeit verfügbare Spektrum an Daten vollständig abzubilden.
Die Darstellung erfolgt chronologisch, um die Entwicklung der wissenschaftlichen Diskussion nachvollziehbar zu machen.
Sequencing of bivalent Moderna and Pfizer mRNA vaccines reveals nanogram to microgram quantities of expression vector dsDNA per dose
Autoren: Kevin McKernan, Yvonne Helbert, Liam T. Kane, Stephen McLaughlin
Veröffentlicht: 2023 April 10
DNA fragments detected in monovalent and bivalent Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada: Exploratory dose response relationship with serious adverse events.
Autoren: David Speicher, J. Rose, L. M. Gutschi, D. M. Wiseman, Kevin McKernan
Veröffentlicht: 2023 October 19
Methodological Considerations Regarding the Quantification of DNA Impurities in the COVID-19 mRNA Vaccine Comirnaty®
Autoren: Brigitte König, Jürgen O. Kirchner
Veröffentlicht: 2024 May 8
Confirmation of the presence of vaccine DNA in the Pfizer anti-COVID-19 vaccine
Autoren: Didier Raoult
Veröffentlicht: 2024 November 12
BioNTech RNA-Based COVID-19 Injections Contain Large Amounts Of Residual DNA Including An SV40 Promoter/Enhancer Sequence
Autoren: Ulrike Kämmerer, Verena Schulz, Klaus Steger
Veröffentlicht: 2024 December 3
A rapid detection method of replication-competent plasmid DNA from COVID-19 mRNA vaccines for quality control.
Autoren: Tayler J. Wang, Alex Kim, Kevin Kim
Veröffentlicht: 2024 December 29
Quantitative Analysis of Nucleic Acid Content in Spikevax (Moderna) and BNT162b2 (Pfizer) COVID-19 Vaccine Lots
Autoren: Richard M Fleming PhD, MD, JD; Peter Kotlár MD; Sona Pekova MD, PhD
Veröffentlicht: 2025 May 13
Quantification of residual plasmid DNA and SV40 promoter-enhancer sequences in Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada
Autoren: David Speicher, Jessica Rose, Kevin McKernan
Veröffentlicht: 2025 September 25
Systematic analysis of COVID-19 mRNA vaccines using four orthogonal approaches demonstrates no excessive DNA impurities
Autoren: Adam Achs, Tatiana Sedlackova, Lukas Predajna, Jaroslav Budis, Maria Bartosova, Vladimir Zelnik, Diana Rusnakova, Martina Melichercikova, Marta Miklosova, Veronika Gencurova, Barbora Cernakova, Tomas Szemes, Boris Klempa, Juraj Kopacek, Silvia Pastorekova
Veröffentlicht: 2025 Dezember 13
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4.3.1. McKernan et al. (2023)
Sequencing of bivalent Moderna and Pfizer mRNA vaccines reveals nanogram to microgram quantities of expression vector dsDNA per dose
Autoren: Kevin McKernan, Yvonne Helbert, Liam T. Kane, Stephen McLaughlin
Veröffentlicht: 10. April 2023 (Preprint, OSF)
Link zur Studie: https://osf.io/preprints/osf/b9t7ma) Kontext und Ziel der Studie
Die Arbeit von McKernan et al. gehört zu den ersten öffentlich verfügbaren unabhängigen Analysen, in denen mRNA-basierte COVID-19-Impfstoffe gezielt auf das Vorhandensein von DNA untersucht wurden. Ausgangspunkt war keine regulatorisch motivierte Fragestellung, sondern eine explorative Sequenzierungsarbeit, im Verlauf derer DNA in den Proben detektiert wurde. Dies veranlasste die Autoren, die Zusammensetzung der Impfstoffe systematisch weiterzuuntersuchen.
Ziel der Studie war es,
- 2 Chargen bivalente Impfstoffe von Pfizer (über dem Ablaufdatum)
- 2 Chargen bivalente Impfstoffe von Moderna (über dem Ablaufdatum)
- 8 Chargen monovalente Impfstoffe von Pfizer (über dem Ablaufdatum, ungeöffnet)
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Für die Untersuchungen wurden folgende Chargen verwendet:- 2 Chargen bivalente Impfstoffe von Pfizer (über dem Ablaufdatum)
- 2 Chargen bivalente Impfstoffe von Moderna (über dem Ablaufdatum)
- 8 Chargen monovalente Impfstoffe von Pfizer (über dem Ablaufdatum, ungeöffnet)
Die Studie kombiniert mehrere analytische Verfahren, um sowohl quantitative als auch qualitative Aussagen zu ermöglichen.
Aufschluss der LNPs und Extraktion der Nukleinsäuren
Die Lipid-Nanopartikel wurden mittels Lithium-Dodecylsulfat (LiDS) lysiert. Die anschließende Aufreinigung erfolgte nach dem SPRI-Prinzip (magnetische Beads), das Nukleinsäuren größen- und bedingungsabhängig selektiv bindet und von Lipiden sowie anderen Begleitsubstanzen trennt. Das Eluat enthielt die isolierten Nukleinsäuren – mRNA und potenziell vorhandene DNA.
Als Qualitätskontrolle des Extraktionsschritts wurde ein Bioanalyzer eingesetzt, der mittels automatisierter Kapillarelektrophorese die Größenverteilung und relative Menge der gewonnenen Nukleinsäuren sichtbar macht.Sequenzierung mittels Illumina
Die extrahierten Nukleinsäuren wurden mittels Illumina-Sequenzierung analysiert. Mehrere Sequenzierläufe (Reads) bildeten die Grundlage für die bioinformatische Rekonstruktion der Plasmidsequenzen beider Impfstoffe. Aus den erhaltenen Reads wurden Plasmidkarten erstellt – für Moderna und für Pfizer.PCR-basierte Verifikation
Auf Grundlage der Sequenzierungsdaten wurden spezifische Primer für zwei Zielregionen entworfen: eine Spike-Sonde und eine Ori-Sonde, beide auf Sequenzen ausgelegt, die sowohl im Pfizer- als auch im Moderna-Plasmid vorkommen. Diese qPCR diente nicht der primären Quantifizierung, sondern der unabhängigen Bestätigung, dass die per Sequenzierung identifizierten Plasmidsequenzen tatsächlich in den Proben vorhanden sind – und nicht auf Laborkontaminationen zurückzuführen sind.Fluorometrie und Elektrophorese
Zur Abschätzung der DNA-Konzentration wurden Qubit-Fluorometrie und Agilent-Elektrophorese eingesetzt. Beide Methoden liefern Aussagen über die Gesamtmenge der vorhandenen DNA, jedoch keine Sequenzinformation.c) Zentrale Ergebnisse
Qualitative Befunde
Die Sequenzanalysen zeigen Übereinstimmungen mit bekannten Plasmidvektorsequenzen und weisen auf genetische Elemente hin, die im Herstellungsprozess eingesetzt werden. Die nachgewiesene DNA wurde als doppelsträngig (dsDNA) charakterisiert.Unerwarteter Fund: SV40-Promoter/Enhancer
Im Verlauf der Sequenzierung identifizierten die Autoren im Pfizer-Impfstoff eine SV40-Promoter/Enhancer-Sequenz. Dieser Fund war insofern unerwartet, als diese Sequenz in den der EMA vorgelegten Plasmidkarten – konkret im „Rapporteur Rolling Review Critical Assessment Report“ (Figure S.2.3-1. pST4-1525 Plasmid Map) – in den öffentlich zugänglichen Unterlagen nicht aufgeführt war. Die Autoren wiesen ergänzend darauf hin, dass das Pfizer-Plasmid auch ein SV40-Kernlokalisierungssignal enthält, das theoretisch den Transport von DNA in den Zellkern begünstigen könnte.Quantitative Befunde
Qubit-Fluorometrie und Elektrophorese zeigten DNA-Konzentrationen, die nach Einschätzung der Autoren die regulatorischen Richtwerte – etwa das EMA-Limit von 330 ng DNA pro mg RNA – deutlich überschreiten.d) Interpretation durch die Autoren
Die Autoren schlussfolgern, dass DNA-Rückstände in den untersuchten Chargen vorhanden sind, die ihrem Ursprung nach auf die im Herstellungsprozess verwendeten Plasmidvektoren zurückzuführen sein dürften. Die gemessenen Mengen werden von den Autoren als möglicherweise regulatorisch relevant eingestuft.
Hinsichtlich replikationsfähiger DNA formulieren die Autoren die Einschätzung, dass für solche Sequenzen strengere Grenzwerte angemessen wären als für nicht-replikationsfähige DNA-Fragmente.
e) Methodische Einschränkungen
Die Herkunft, Lagerung und Chargencharakterisierung der untersuchten Fläschchen ist nur begrenzt dokumentiert. Angaben zu Negativkontrollen – etwa Wasserproben, die denselben Aufarbeitungsschritten unterzogen wurden – sowie zu Positivkontrollen mit bekannten DNA-Konzentrationen fehlen weitgehend oder sind unvollständig beschrieben. Eine formale Methodenvalidierung liegt nicht vor.
Zudem weisen die Autoren selbst auf zwei gegenläufige Unsicherheiten bei der Quantifizierung hin: PCR-basierte Verfahren könnten die tatsächliche DNA-Menge unterschätzen, da Fragmente unterhalb der Amplikon-Länge nicht erfasst werden. Umgekehrt könnten Fluorometrie und Elektrophorese die DNA-Konzentration überschätzen, wenn der eingesetzte Farbstoff unspezifisch auch an RNA bindet.
f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie stellt einen frühen und wichtigen Beitrag zur wissenschaftlichen Diskussion über DNA-Rückstände in mRNA-Impfstoffen dar. Sie hat maßgeblich dazu beigetragen, dass weitere Arbeitsgruppen eigene Untersuchungen durchführten. Die Befunde sind als Ausgangspunkt für weiterführende Untersuchungen zu verstehen, nicht als abschließende Bewertung.
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4.3.2. Speicher et al. (2023)
DNA fragments detected in monovalent and bivalent Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada: Exploratory dose response relationship with serious adverse events.
Autoren: David Speicher, Jessica Rose, L. Maria Gutschi, David M. Wiseman, Kevin McKernan
Veröffentlicht: 19. Oktober 2023 (ResearchGate)
Link zur Studie: https://osf.io/preprints/osf/mjc97_v1a) Kontext und Ziel der Studie
Die Studie von David J. Speicher et al. baut inhaltlich auf den zuvor veröffentlichten Analysen von Kevin McKernan auf und verfolgt einen erweiterten Ansatz.
Neben dem Nachweis und der Quantifizierung von DNA-Rückständen in weiteren Impfstoffchargen adressiert sie zwei zusätzliche Fragestellungen:
- Lokalisierung der DNA: Liegt die nachgewiesene DNA innerhalb der Lipid-Nanopartikel (LNPs) oder frei in der Lösung vor?
- Explorative Korrelation: Besteht ein statistischer Zusammenhang zwischen gemessenen DNA-Mengen und gemeldeten unerwünschten Ereignissen auf Chargenebene?
Die Studie gliedert sich damit in zwei inhaltlich verschiedene Teile:
- analytischer Teil: Nachweis und Charakterisierung von DNA in Impfstoffproben
- explorativer Teil: Untersuchung einer möglichen statistischen Beziehung zu Nebenwirkungsdaten
Beide Teile erfordern eine unterschiedliche methodische Bewertung.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Untersucht wurden 27 Fläschchen aus 12 Chargen: 8 abgelaufene, ungeöffnete Pfizer-BNT162b2-Fläschchen und 16 abgelaufene, ungeöffnete Moderna-Spikevax-Fläschchen, bezogen aus verschiedenen Apotheken in Ontario, Kanada. Alle Fläschchen waren originalversiegelt mit intakten Schutzkappen sowie aufgedruckten Chargennummern und Verfallsdaten. Zusätzlich wurden drei noch gültige Restmengen einer Moderna-XBB.1.5-Charge einbezogen. Lagerung und Transport erfolgten unter dokumentierter Kühlung. Als Negativkontrolle diente ein steriles, ungeöffnetes Injektionsfläschchen eines nicht verwandten Arzneimittels (TriMix).Die Autoren kombinieren mehrere analytische und statistische Verfahren.
Aufschluss der Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Um die Lipid-Nanopartikel (LNPs) aufzubrechen, wurde die Probe 8 Minuten lang auf 95°C erhitzt, gefolgt von einer Abkühlung auf 4°C für fünf Minuten. Dieser thermische Schritt dient der Freisetzung der enthaltenen Nukleinsäuren.Quantifizierung mittels qPCR
Die DNA-Konzentrationen wurden mittels qPCR über den Cq-Wert (Quantifizierungszyklus) bestimmt und in Nanogramm pro Dosis umgerechnet. Die Autoren übernahmen die Primer aus der McKernan-Studie: Spike-Sonde und Ori-Sonde, die auf Sequenzen abzielen, die beiden Impfstoffen (Pfizer, Moderna) gemeinsam sind. Ergänzend wurde ein SV40-Enhancer-Assay eingesetzt, der speziell auf die im Pfizer-Plasmid identifizierte SV40-Sequenz ausgelegt ist.Quantifizierung mittels Qubit-Fluorometrie
Zur Gesamtquantifizierung der DNA wurde Qubit-Fluorometrie mit dem DNA-spezifischen Farbstoff AccuGreen eingesetzt. Die Fluoreszenzintensität ist proportional zur vorhandenen DNA-Menge und liefert eine sequenzunabhängige, jedoch struktursensitive Gesamtschätzung (abhängig von Farbstoffspezifität und Probenzusammensetzung).Größenprofil der Rest-DNA mittels ONT-Sequenzierung
Die Größenverteilung der DNA-Fragmente in einer Pfizer-Probe wurde mittels Oxford-Nanopore-Sequenzierung bestimmt. Dabei ist zu beachten, dass der verwendete Bibliotheksaufbau Fragmente kleiner als etwa 150 bp (Basenpaare) systematisch entfernt. Die erhaltene Längenverteilung ist daher in Richtung längerer Fragmente verzerrt und bildet den tatsächlichen Anteil kurzer Fragmente nicht vollständig ab.DNA innerhalb oder außerhalb der LNPs – Nukleaseprotektionstest
Um zu prüfen, ob die DNA-Rückstände im Inneren der LNPs vorliegen oder frei außerhalb, wurde das Enzym DNase I-XT direkt zum unveränderten Impfstoff gegeben – also zu intakten, noch nicht aufgeschlossenen LNPs. DNase I-XT baut zugängliche DNA ab. Eine anschließende qPCR-Messung erlaubte den Vergleich der DNA-Menge vor und nach der Enzymbehandlung.Auswertung der VAERS-Datenbank
Für jede untersuchte Charge wurde aus der VAERS-Datenbank ein Serious Adverse Event Reporting Ratio (SRR) berechnet – das Verhältnis schwerwiegender zu allen gemeldeten Nebenwirkungen. Dieser Wert wurde der gemessenen DNA-Konzentration der jeweiligen Charge gegenübergestellt.c) Zentrale Ergebnisse
Quantitative Befunde und Methodenvergleich
Die Gegenüberstellung der Ergebnisse der qPCR und Qubit-Fluorometrie zeigen, dass die gemessenen Daten stark von dem verwendeten Messverfahren abhängen.Ermittlung der DNA-Konzentrationen für Pfizer
qPCR Qubit-Fluorometrie Ori-Sonde: 0,28 – 4,27 ng/Dosis
Spike-Sonde: 0,22 – 2,43 ng/DosisGesamt-DNA: 1.896 – 3.720 ng/Dosis Der SV40-Promotor-Enhancer-Ori wurde nur in den Pfizer-Fläschchen mit Cq-Werten zwischen 16,64 und 22,59 nachgewiesen.
Ermittlung der DNA-Konzentrationen für Moderna
qPCR Qubit-Fluorometrie Ori-Sonde: 0,01 – 0,34 ng/Dosis
Spike-Sonde: 0,25 – 0,78 ng/DosisGesamt-DNA: 3.270 – 5.100 ng/Dosis Bezogen auf den FDA-Grenzwert von 10 ng DNA pro Dosis liegen die qPCR-Werte unterhalb des Grenzwerts, während die fluorometrischen Werte diesen um das 188- bis 509-fache überschreiten.
Die Autoren weisen darauf hin, dass qPCR-Verfahren DNA-Fragmente unterhalb der Amplikon-Länge (105–114 bp) nicht erfassen können und die Gesamtmenge damit systematisch unterschätzen.
Darüber hinaus zeigten die Messungen eine Variabilität der DNA-Mengen zwischen verschiedenen Chargen desselben Impfstoffs – ein Hinweis auf mögliche Schwankungen im Reinigungsprozess.
DNA liegt im Inneren der LNPs
Nach DNase I-XT-Behandlung des intakten Pfizer-Impfstoffs zeigte die anschließende qPCR-Messung kaum eine Veränderung der DNA-Menge. Da das Enzym nur zugängliche DNA abbaut, legt dieses Ergebnis nahe, dass der überwiegende Teil der DNA-Rückstände im Inneren der LNPs vorliegt und damit vor dem Enzymangriff geschützt ist.Größenprofil der Rest-DNA
Die ONT-Sequenzierung einer Pfizer-Probe ergab eine mittlere Fragmentlänge von 214 bp. Einzelne Fragmente erreichten Längen von über 1.000 bp; das längste nachgewiesene Fragment umfasste etwa 3.200 bp und entsprach damit annähernd der halben Plasmidlänge von 7.810 bp.Da der Bibliotheksaufbau Fragmente unter 150 bp systematisch ausschließt, ist davon auszugehen, dass der tatsächliche Anteil kurzer Fragmente in der Probe höher liegt als in den Sequenzierungsdaten abgebildet.
Explorative VAERS-Korrelation mit den gemessenen DNA-Mengen
Die Autoren beobachteten eine positive Korrelation zwischen den gemessenen DNA-Konzentrationen auf Chargenebene und dem SRR-Wert der jeweiligen Charge. Chargen mit höheren DNA-Mengen tendierten zu höheren Anteilen schwerwiegender Meldungen in der VAERS-Datenbank.d) Interpretation durch die Autoren
Methodenabhängigkeit von Rest-DNA-Bewertungen
Die Autoren berichten zwei völlig unterschiedliche Messergebnisse für dieselben Impfstoffe:Methode Ergebnis: Rest-DNA pro Dosis
(Grenzwert 10 ng/Dosis)Bewertung qPCR UNTER dem FDA-Grenzwert Einhaltung Fluorometrie 188- bis 509-fach ÜBER dem FDA-Grenzwert Überschreitung Das bedeutet: Je nach Messmethode kommt man zu gegensätzlichen Schlussfolgerungen.
Diese Diskrepanz ist ein zentrales Ergebnis der Studie und verdeutlicht die hohe methodische Abhängigkeit der gemessenen DNA-Werte.
Hinweis auf methodische Inkonsistenz
Die Autoren argumentieren, dass die beobachteten Diskrepanzen nicht ausschließlich auf Messungenauigkeiten zurückzuführen sind, sondern auf grundlegend unterschiedliche Messprinzipien.Die EMA verwendet ratiometrische Richtlinien – das bedeutet: Es gibt einen erlaubten Grenzwert für das Verhältnis von DNA zu RNA (wie z. B. 330 ng DNA pro 1 mg RNA).
Allerdings kommen für die Messung von RNA und DNA unterschiedliche Methoden zum Einsatz, die sich in ihrer Spezifität unterscheiden.
Was gemessen wird Verwendete Methode Gemessen werden … RNA
(Hauptbestandteil)Fluorometrie /
UV-SpektrophotometrieGesamtnukleinsäuren (unspezifisch) DNA
(Rückstände)qPCR Spezifische DNA-Sequenzen (selektiv) Verschiedene Quellenbelege dazu:
- „Rapporteur Rolling Review critical assessment report” (Table S.2.6-16. Evolution of BNT162b2 Drug Substance Methods)
- „EU Official Control Authority Batch Release Certificate for Immunological Products” (Table 2. Drug Substance Quality Control Tests)
- „Assessment report EMA/707383/2020”
- „Assessment report EMA/15689/2021”
Die Autoren argumentieren, wenn man:
🔸RNA mit einer unspezifischen Methode misst (Fluorometrie: erfasst auch DNA-Fragmente, Abbauprodukte etc.) und
🔸DNA mit einer spezifischen Methode misst (qPCR: erfasst nur die exakte Zielsequenz),
dann sind die beiden Messwerte methodisch nicht kompatibel.Dadurch sind die berechneten DNA/RNA-Verhältnisse methodisch verzerrt und nicht direkt vergleichbar.
Diese Argumentation bezieht sich auf die Vergleichbarkeit der Messmethoden, nicht notwendigerweise auf die Gültigkeit der jeweiligen Einzelmessung.
Die Autoren plädieren dafür, dass Behörden nicht nur Grenzwerte, sondern auch die verbindlich einzusetzenden Nachweismethoden vorschreiben.DNA innerhalb der LNPs: biologische Konsequenz
Das Vorliegen der DNA im Inneren der LNPs wird von den Autoren als potenziell biologisch relevant eingestuft. Im Unterschied zu freier, nackter DNA – die im Körper rasch abgebaut wird – ist LNP-verpackte DNA vor Nukleasen geschützt und kann effizient in Zellen aufgenommen werden. Die bestehenden regulatorischen Grenzwerte, so die Autoren, wurden für nackte Wirtszell-DNA entwickelt und berücksichtigen diesen Unterschied nicht.Kritik an den regulatorischen Richtlinien
Die Autoren üben grundsätzliche Kritik an den bestehenden Grenzwertkonzepten. Sie bemängeln, dass die Richtlinien auf veralteten Grundlagen beruhen, die Molekülanzahl zugunsten einer gewichtsbasierten Betrachtung vernachlässigen, kumulative Dosierungen (mehrere Dosen innerhalb weniger Monate) nicht berücksichtigen und funktionelle Sequenzen wie Promotoren oder nukleäre Targeting-Signale außer Acht lassen. Insbesondere das Vorhandensein des SV40-Promoter/Enhancers im Pfizer-Plasmid wird als Element hervorgehoben, das den Transport von DNA in den Zellkern begünstigen könnte.Explorative VAERS-Analyse
Die beobachtete Korrelation wird von den Autoren als möglicher Hinweis auf einen Zusammenhang zwischen DNA-Gehalt und Nebenwirkungsprofil interpretiert. Ausdrücklich wird betont, dass es sich um eine explorative Beobachtung handelt, die keine kausalen Schlussfolgerungen erlaubt. Daher plädieren sie für weitere Untersuchungen dahingehend.e) Methodische Einschränkungen
Die Herkunft, Lagerung und Chargencharakterisierung der untersuchten Proben ist insgesamt gut dokumentiert – Kühlkette, Transportbedingungen und Fläschchenzustand sind beschrieben. Der thermische Aufschluss ohne nachfolgende Aufreinigung ist nicht im regulatorischen Sinne validiert; Angaben zur Extraktionseffizienz fehlen.
Alle untersuchten Fläschchen waren zum Zeitpunkt der Analyse bereits abgelaufen. Drei Moderna-XBB.1.5-Fläschchen waren angebrochene Restmengen nach der Patientenversorgung – keine originalversiegelten Proben. Sie unterscheiden sich damit in ihrer Probenqualität von den übrigen Fläschchen und sind gesondert zu bewerten.
Die VAERS-Korrelation ist mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. VAERS ist ein passives Meldesystem: Meldungen werden nicht systematisch verifiziert, die Meldebereitschaft variiert zwischen Zeiträumen und Regionen, und eine Korrelation auf Chargenebene erlaubt keine Rückschlüsse auf individuelle Kausalzusammenhänge. Die Aussagekraft dieser Analyse ist damit strukturell begrenzt – unabhängig von der Qualität der analytischen Messungen.
Die ONT-Sequenzierung erfasst aufgrund des Bibliotheksaufbaus nur Fragmente ab etwa 150 bp und bildet den tatsächlichen Kurzfragmentanteil nicht vollständig ab.
f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie erweitert die Befunde von McKernan et al. in mehrfacher Hinsicht: Sie untersucht weitere Chargen, liefert einen Nukleaseprotektionstest als direkten Hinweis auf die intrapartikuläre Lage der DNA und thematisiert strukturelle Schwächen der regulatorischen Methodik. Der analytische Teil stellt einen sachlichen Beitrag zur Debatte dar.
Der explorative Teil – die Verknüpfung mit VAERS-Daten – ist methodisch anspruchsvoll und mit den genannten Einschränkungen des Meldesystems behaftet. Die Autoren selbst charakterisieren ihn als hypothesengenerierend, nicht als beweisend.
Die Autoren weisen auf mehrere Einschränkungen ihrer Studie hin und fordern eine Replikation ihrer Ergebnisse unter forensischen Bedingungen.
Insgesamt unterstreicht die Studie die Notwendigkeit standardisierter und methodenübergreifend vergleichbarer Analysen zur Bewertung von DNA-Rückständen in mRNA-basierten Arzneimitteln.
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4.3.3. König & Kirchner (2024)
Methodological Considerations Regarding the Quantification of DNA Impurities in the COVID-19 mRNA Vaccine Comirnaty®
Autoren: Brigitte König, Jürgen O. Kirchner
Veröffentlicht: 8. Mai 2024 (Peer-reviewed, PubMed)
Link zur Studie: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38804335/a) Kontext und Ziel der Studie
Die Arbeit von Brigitte König und Johannes O. Kirchner unterscheidet sich in ihrer Zielsetzung grundlegend von den zuvor dargestellten Studien. Während frühere Arbeiten primär den Nachweis und die Quantifizierung von DNA-Rückständen in mRNA-Impfstoffen zum Ziel hatten, liegt der Fokus dieser Studie auf einer methodischen Bewertung der eingesetzten Nachweisverfahren.
Die zentrale Frage lautet: Ist die im Zulassungsverfahren verwendete qPCR-basierte DNA-Quantifizierung als Chargenprüfung und damit als Qualitätssicherungsinstrument geeignet?
Um diese Frage zu beantworten, untersuchen die Autoren:
- welche analytischen Methoden zur Quantifizierung von DNA-Rückständen eingesetzt wurden,
- welche methodischen Grenzen diese Verfahren aufweisen,
- und inwiefern unterschiedliche Methoden zu abweichenden Ergebnissen führen können.
Die Studie wurde in einem formalen Peer-Review-Verfahren begutachtet und in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift veröffentlicht.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Das Labor erhielt mehrere originalversiegelte Fläschchen unterschiedlicher Chargen des mRNA-Impfstoffs Comirnaty® (BNT162b2), bereitgestellt durch offizielle Impfzentren. Lagerung und Transport erfolgten unter dokumentierter Einhaltung der Kühlkette (2–8 °C). Vier Chargen waren zum Zeitpunkt der Analyse bereits abgelaufen, drei wiesen eine Resthaltbarkeit von 11 bis 13 Monaten auf.Die Autoren kombinieren zwei Ansätze: eine methodenkritische Analyse bestehender Verfahren und eigene Labormessungen.
Methodenkritische Analyse
Die Autoren untersuchen die im EMA-Rolling-Review-Dokument vom November 2020 beschriebene qPCR-Methode (einschließlich des dortigen Mustervorbereitungsschemas) und identifizieren drei strukturelle Probleme.Erstens erfasst die qPCR nur eine 69 bp lange Zielsequenz – den T7-Promotor – innerhalb eines 7.824 bp langen Plasmids. Die verbleibenden 99 % der Plasmid-DNA sowie etwaige genomische Bakterien-DNA bleiben damit unerfasst. Die Autoren weisen darauf hin, dass dieses Problem prinzipiell für jeden qPCR-Ansatz gilt, der nur einzelne Zielsequenzen adressiert – unabhängig davon, welche Sequenz gewählt wird.
Zweitens ist die verwendete Standardkurve methodisch problematisch. Zur Quantifizierung wird eine Standardkurve mit unbehandelter, intakter Plasmid-DNA erstellt. Die DNA in der Impfstoffprobe hat jedoch im Herstellungsprozess mehrere Behandlungsschritte – insbesondere einen DNase-Verdau – durchlaufen und ist damit fragmentiert. Da fragmentierte DNA schlechter amplifiziert wird als intakte, erscheint die gemessene Konzentration systematisch niedriger als die tatsächlich vorhandene. Ein korrekter Vergleich würde eine Standardkurve erfordern, die mit DNA erstellt wurde, die denselben Behandlungsschritten unterzogen wurde wie die Probe.
Drittens stellt sich die Frage der Proportionalität:
- Gibt es sequenzabhängige Unterschiede in der Abbaurate?
- Wird die qPCR-Zielsequenz durch den DNase-Verdau proportional zum Rest des Plasmids abgebaut?
- Werden bestimmte Sequenzen der linearisierten Plasmide durch DNase häufiger oder deutlich seltener abgebaut als andere?
Wenn die Proportionalität nicht gegeben ist, ist jede Extrapolation von der Zielsequenz auf die Gesamt-DNA fehlerbehaftet. Die Europäische Pharmakopöe (Ph. Eur. 2.6.35) bestätigt diese Einschränkung: Sie nennt qPCR zwar als Methode der Wahl für den Nachweis spezifischer Sequenzen, weist aber ausdrücklich darauf hin, dass für die Bestimmung der Gesamt-DNA andere oder ergänzende Verfahren erforderlich sein können.
Überlegungen zur regulatorischen Praxis
Die Autoren weisen auf eine Inkonsistenz in der behördlichen Praxis hin: Laut einem EDQM-Protokoll wird DNA nur auf Wirkstoffebene gemessen, nicht im fertigen Impfstoff. Als Begründung wird angegeben, dass Lipid-Nanopartikel die DNA-Messung stören könnten. Gleichzeitig wird die RNA-Konzentration im fertigen Impfstoff mittels Fluorometrie gemessen – nach Aufschluss der LNPs mit Triton X-100. Da RNA und DNA als Nukleinsäuren vergleichbare analytische Eigenschaften aufweisen und beide von LNPs umschlossen sein können, erscheint die unterschiedliche Behandlung erklärungsbedürftig. Ob hierfür technische oder regulatorische Gründe vorliegen, die in öffentlichen Dokumenten nicht vollständig dargelegt sind, lässt sich anhand der verfügbaren Quellen nicht abschließend beurteilen.Eigene Messungen mittels Qubit-Fluorometrie
Um die praktische Eignung eines alternativen Verfahrens zu prüfen, führten die Autoren eigene Messungen an sieben Chargen Comirnaty® durch. Dabei wurden die Proben jeweils vor und nach Zugabe des Detergens Triton X-100 gemessen, das die LNPs aufbricht und den eingeschlossenen Inhalt freisetzt. Als Messsystem wurde Qubit-Fluorometrie mit dem DNA-spezifischen Farbstoff PicoGreen eingesetzt.c) Zentrale Ergebnisse
Qubit-Messungen vor und nach LNP-Aufschluss
Ohne Triton X-100 wurden nur geringe DNA-Mengen gemessen. Nach Zugabe von Triton X-100 stiegen die gemessenen Werte drastisch an – auf das 360- bis 534-fache des regulatorischen Grenzwerts von 10 ng pro Dosis, entsprechend 3.600 bis 5.340 ng DNA pro Dosis.In den vier abgelaufenen Chargen waren bereits ohne Triton X-100 zwischen 16 und 81 % der Gesamt-DNA messbar – ein Hinweis auf einen teilweisen Zerfall der LNPs über die Lagerungszeit. In den drei frischen Chargen war die DNA zu 93 bis 97 % erst nach dem LNP-Aufschluss nachweisbar, was auf weitgehend intakte Partikel hindeutet.
RNA-Messungen als Kontrolle
Die parallel durchgeführten RNA-Messungen dienten als methodische Kontrolle und zeigten plausible Werte, was die Autoren als Beleg für die grundsätzliche Eignung des Qubit-Systems im Kontext dieser Probenmatrix werten.d) Interpretation durch die Autoren
Kritik an der qPCR als alleinige Referenzmethode
Die Autoren schlussfolgern, dass die behördlich vorgeschriebene qPCR-basierte Methode strukturell ungeeignet ist, die Gesamt-DNA im fertigen Impfstoff zuverlässig zu quantifizieren. Die gemessenen DNA-Gehalte überschreiten den regulatorischen Grenzwert deutlich – blieben aber unentdeckt, weil die eingesetzte Methode nur einen kleinen Ausschnitt der vorhandenen DNA erfasst und zudem auf Wirkstoffebene statt im Endprodukt angewendet wird.Forderung nach methodischer Anpassung
Die Autoren fordern daher eine fluoreszenzspektrometrische Messung der Gesamt-DNA im fertigen Impfstoff als Bestandteil der amtlichen Chargenprüfung – analog zur bereits etablierten RNA-Messung.DNA innerhalb der LNPs: biologische Konsequenz
Darüber hinaus plädieren sie für eine Neubewertung der Risiken LNP-verpackter DNA, insbesondere hinsichtlich einer möglichen Integration in das menschliche Erbgut.e) Methodische Einschränkungen
Geringe Stichprobengröße
Die Studie basiert auf einer begrenzten Stichprobe von sieben Chargen. Die Proben wurden als originalversiegelte Fläschchen von offiziellen Impfzentren bereitgestellt; Lagerung und Transport erfolgten unter dokumentierter Kühlkettenkontrolle. Die Provenienzdokumentation ist damit vergleichsweise gut belegt.Einfluss des Ablaufdatums auf die LNP-Integrität
Vier der sieben Chargen waren zum Zeitpunkt der Analyse bereits abgelaufen. Abgelaufene Proben können chemisch verändert sein – insbesondere hinsichtlich der LNP-Integrität. Die Autoren berücksichtigen diesen Umstand ausdrücklich und werten die erhöhte DNA-Messbarkeit ohne Triton X-100 in abgelaufenen Chargen als Hinweis auf einen teilweisen LNP-Zerfall über die Lagerungszeit.Keine RNase-Behandlung vor Fluorometrie (Qubit)
Qubit misst mit DNA-spezifischen Farbstoffen, die aber auch mit RNA (der Hauptbestandteil des Impfstoffs) interferieren können. Ohne vorherige RNase-Verdauung wird die gemessene „DNA-Menge“ sehr wahrscheinlich überschätzt.Fehlende formale Validierung
Die Qubit-Methode wurde von den Autoren nicht formal nach regulatorischen Standards validiert. Eine solche Validierung – wie sie die ICH-Leitlinie Q2(R2) für analytische Methoden im Zulassungskontext vorschreibt – umfasst den systematischen Nachweis von Spezifität, Nachweisgrenze, Linearität, Präzision, Richtigkeit, Robustheit und Matrixeffekten. Die Autoren begründen die Eignung des Verfahrens argumentativ: durch den Vergleich von Messungen vor und nach LNP-Aufschluss sowie durch plausible RNA-Kontrollwerte. Das ist für eine wissenschaftliche Publikation, die einen methodischen Punkt demonstrieren will, ein üblicher Rahmen. Dieser Hinweis ist keine Kritik an der Sorgfalt der Autoren, sondern eine sachliche Einordnung des Publikationskontexts.Fehlende Validierung der Extraktions-Effizienz
Bei Extraktionen wird nicht immer gezeigt, dass die Methode quantitativ alle DNA (besonders kleine Fragmente und verkapselte DNA) vollständig freisetzt und misst. Das kann zu Über- oder Unter-Schätzungen führen.Verfügbarkeit behördlicher Prüfmethoden
Die methodenkritische Analyse stützt sich hinsichtlich der behördlichen qPCR-Methode auf ein Rolling-Review-Dokument aus dem frühen Zulassungsverfahren. Ob die dort beschriebene Methode identisch mit der final zugelassenen Chargenprüfmethode ist, lässt sich anhand öffentlich zugänglicher Quellen nicht abschließend beurteilen.f) Einordnung in den Gesamtkontext
König & Kirchner leisten einen methodisch eigenständigen Beitrag zur Debatte. Im Unterschied zu McKernan und Speicher steht nicht die Frage im Vordergrund, wie viel DNA vorhanden ist, sondern ob die eingesetzten Verfahren überhaupt geeignet sind, diese Frage zuverlässig zu beantworten.
Die Studie leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Debatte, indem sie:
- die methodische Abhängigkeit der Messergebnisse herausarbeitet
- die Grenzen etablierter Standardverfahren (insbesondere qPCR) aufzeigt
- und die Notwendigkeit methodenübergreifender Validierung betont
Die Arbeit verdeutlicht, dass Unterschiede zwischen Studien nicht zwangsläufig widersprüchliche oder falsche Ergebnisse widerspiegeln, sondern häufig durch:
- unterschiedliche Nachweisverfahren
- verschiedene Zielsequenzen
- und variierende Probenaufbereitung
erklärt werden können. Damit trägt die Arbeit wesentlich zum Verständnis bei, warum die Quantifizierung von DNA-Rückständen methodisch anspruchsvoll ist und warum Ergebnisse aus verschiedenen Studien nur eingeschränkt direkt vergleichbar sind.
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4.3.4. Didier Raoult (2024)
Confirmation of the presence of vaccine DNA in the Pfizer anti-COVID-19 vaccine
Autoren: Didier Raoult
Veröffentlicht: 12. November 2024 (Preprint, HAL Open Science)
Link zur Studie: https://hal.science/hal-04778576v1a) Kontext und Ziel der Studie
Die Arbeit von Didier Raoult reiht sich in die Reihe unabhängiger Untersuchungen ein, die das Vorhandensein von DNA in mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen analysieren.
Ziel der Studie ist es, den Nachweis von DNA-Komponenten im Pfizer/BioNTech-Impfstoff experimentell zu bestätigen und die Befunde früherer Arbeitsgruppen durch eine unabhängige Analyse zu überprüfen. Die Studie versteht sich damit primär als Replikationsarbeit.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
In der Studie wurde ausschließlich der mRNA-Impfstoff Comirnaty® (BNT162b2) von BioNTech/Pfizer untersucht. Die Analyse basierte auf einer begrenzten Anzahl von Proben; in den verfügbaren Angaben wird keine systematische Chargenübersicht berichtet.Die Studie verwendet klassische molekularbiologische Verfahren zur Analyse von Nukleinsäuren.
Aufschluss der Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Die LNPs wurden mit dem Detergens Triton X-100 aufgeschlossen.Quantifizierung mittels Qubit-Fluorometrie
An einer Charge (Nr. GJ7184) wurde eine DNA-Quantifizierung mittels kommerziellem Qubit-Fluorometer durchgeführt, jeweils vor und nach dem LNP-Aufschluss mit Triton X-100.Sequenzierung mittels Illumina
Zwei Chargen (FP8191 und FP9359) wurden mittels Illumina-Sequenzierung analysiert. Dabei wurde bewusst auf eine Reverse Transkription verzichtet – die RNA wurde also nicht in DNA umgeschrieben. Damit ist sichergestellt, dass ausschließlich die in der Probe ursprünglich vorhandene DNA sequenziert wurde und nicht eine aus der mRNA erzeugte Kopie.Die erhaltenen Reads (gelesenen Sequenzen) wurden mit der bekannten DNA-Plasmidsequenz (GenBank OR134577.1) verglichen. Für die bioinformatische Auswertung wurden nur Sequenzabschnitte ab 200 bp Länge und mit mehr als 90% Übereinstimmung zur Referenz berücksichtigt.
Als Kontrollversuch wurden die Proben vor der Sequenzierung mit DNase behandelt und anschließend erneut sequenziert, um zu prüfen, ob das Signal tatsächlich auf DNA zurückzuführen ist.
c) Zentrale Ergebnisse
Quantifizierung mittels Qubit-Fluorometrie
Ohne Triton X-100 wurden durchschnittlich 216 ng DNA pro Dosis gemessen. Nach LNP-Aufschluss mit Triton X-100 stieg der Wert auf durchschnittlich 5.160 ng pro Dosis – ein Anstieg um das ca. 24-Fache. Bezogen auf den angegebenen RNA-Gehalt von 30 µg pro Dosis entspricht dies rechnerisch einem DNA-Anteil von etwa 17 %.Sequenzierung mittels Illumina
Mittels Illumina-Sequenzierung wurden über 140.000 Reads mit einer Länge von mehr als 200 Basenpaaren generiert. Aus diesen Daten konnte die vollständige Plasmidsequenz von 7.824 bp rekonstruiert werden. Dies bedeutet, dass die vorhandenen DNA-Fragmente in ihrer Gesamtheit die vollständige Sequenz abdecken.Die Sequenzierungstiefe war mit mehr als 4.000-facher Abdeckung außergewöhnlich hoch – das bedeutet, jede Position des Plasmids wurde im Durchschnitt von mehr als 4.000 unabhängigen Reads abgedeckt. Die Sequenzdaten beider Chargen wurden in der GenBank hinterlegt (PP544445 und PP544446).
63 bis 97 % der sequenzierten DNA ließen sich dem Impfstoff-Plasmid zuordnen. Die Herkunft der verbleibenden 3 bis 37 % wurde nicht weiter untersucht.
DNase-Kontrollversuch
Nach DNase-Behandlung wurden nahezu keine Reads mehr detektiert (1–2 Reads). Der nahezu vollständige Signalverlust nach DNase-Behandlung spricht dafür, dass das Sequenzsignal tatsächlich von frei zugänglicher oder nach Aufschluss freigesetzter DNA stammt.d) Interpretation durch die Autoren
Reproduzierbarkeit
Der Autor interpretiert seine Ergebnisse als experimentelle Bestätigung der Befunde früherer Studien. Mit mehreren methodischen Ansätzen und in verschiedenen Chargen sei das reichliche Vorhandensein von Plasmid-DNA im Pfizer/BioNTech-Impfstoff nachweisbar. Die Übereinstimmung mit früheren Berichten stütze die Reproduzierbarkeit entsprechender Befunde.DNA verpackt in kationische Lipide: biologische Konsequenz
Hinsichtlich der biologischen Konsequenz weist der Autor darauf hin, dass LNP-verpackte Plasmid-DNA nach Zellaufnahme theoretisch in das Genom integrieren könnte. Das tatsächliche Risiko wird vom Autor selbst als extrem gering eingeschätzt; weitere Untersuchungen seien dennoch gerechtfertigt.e) Methodische Einschränkungen
Herkunft und Lagerung der Proben
Angaben zur Herkunft, Lagerungsgeschichte und zum Zustand der untersuchten Fläschchen fehlen weitgehend. Es ist nicht dokumentiert, ob die Proben originalverpackt, korrekt gekühlt und ungeöffnet waren.Fehlende Methodendetails
- keine Angabe zur RNase-Behandlung zur Entfernung von RNA vor der DNA-Messung
- keine Angabe, welches Qubit-Kit eingesetzt wurde (High Sensitivity oder Broad Range)
- keine Angabe, wie hoch die Extraktionseffizienz für LNP-verpackte DNA war
- keine Spezifizierung der DNase (nur „TURBO DNA-free kit“ genannt, nicht welcher Enzymtyp)
Geringe Stichprobengröße
Die Studie basiert auf einer begrenzten Stichprobe von drei Chargen.Sequenzierung und Quantifizierung
Die Illumina-Sequenzierung belegt zuverlässig die Anwesenheit und Vollständigkeit der Plasmidsequenz, ist aber kein geeignetes Verfahren zur absoluten Quantifizierung. Eine hohe Sequenzierungstiefe kann auch dann entstehen, wenn wenige Moleküle mit hoher Kopienzahl vorliegen – sie spiegelt nicht notwendigerweise die tatsächliche Masse der DNA wider.f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie ergänzt die bestehende Datenlage durch einen weiteren unabhängigen Nachweis von Plasmid-DNA in mRNA-Impfstoffen. Ihr Beitrag liegt primär in der Reproduzierbarkeit des qualitativen Befunds: Ein weiteres Labor, mit anderen Methoden und anderen Chargen, kommt zu vergleichbaren Ergebnissen.
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4.3.5. Kämmerer et al. (2024)
BioNTech RNA-Based COVID-19 Injections Contain Large Amounts Of Residual DNA Including An SV40 Promoter/Enhancer Sequence
Autoren: Ulrike Kämmerer, Verena Schulz, Klaus Steger
Veröffentlicht: 3. Dezember 2024 (Peer Reviewed, Cureus/Public Health Policy Journal)
Link zur Studie: https://publichealthpolicyjournal.com/biontech-rna-based-covid-19-injections-contain-large-amounts-of-residual-dna-including-an-sv40-promoter-enhancer-sequence/a) Kontext und Ziel der Studie
Die Arbeit untersucht das Vorhandensein von DNA-Komponenten in mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen mit besonderem Fokus auf regulatorische Sequenzelemente. Vor dem Hintergrund vorheriger Analysen widmet sich die Studie drei zentralen Fragen:
- Lässt sich die hohe Menge an DNA-Rückständen in BioNTech-Chargen mit unterschiedlichen Methoden bestätigen?
- Können vorhandene DNA-Fragmente gemeinsam mit der mRNA in menschliche Zellen eingeschleust werden (Transfektion)?
- Führt dies zu einer anhaltender Spike-Protein-Produktion?
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Für die Untersuchungen wurden vier originale, ungeöffnete BNT162b2-Chargen verwendet:- FD7958, FE6975 und EX8679 (monovalent, Wuhan-Stamm; Verfallsdatum Oktober/August 2021)
- HD9869 (bivalent, Wuhan/Omicron XBB1.5; Verfallsdatum Oktober 2024)
Als Positivkontrolle diente die Charge GH9715, deren DNA-Kontamination in früheren Studien bereits nachgewiesen worden war.
Alle Ampullen wurden von einer Apotheke im gekühlten Zustand bezogen, waren originalversiegelt und wurden während Transport und Lagerung durchgehend gekühlt. Die Provenienzdokumentation ist damit vergleichsweise gut belegt.
Quantifizierung
Die Lipid-Nanopartikel (LNPs) wurden mit Triton X-100 aufgeschlossen.
Die RNA-Quantifizierung erfolgte mit dem Qubit RNA High Sensitivity Assay.
Für die DNA-Quantifizierung wurden drei verschiedene fluorometrische dsDNA-Assays eingesetzt:- Qubit dsDNA High Sensitivity Assay
- Quanti-iT PicoGreen dsDNA Assay
- AccuBlue High Sensitivity dsDNA Assay
Die Untersuchung mittels Fluoreszenz-Plate-Reader erfolgte vor und nach einer RNase A-Behandlung (einem RNA-abbauenden Enzym).
Der Einsatz von drei unabhängigen Assays ist methodisch als orthogonaler Ansatz zu werten: Stimmen alle drei überein, erhöht das die Verlässlichkeit des Ergebnisses erheblich.
Zelllinienexperimente und ELISA
Um zu prüfen, ob die Impfstoffe menschliche Zellen transfizieren und zu einer Spike-Protein-Produktion führen, wurden HEK293-Zellen eingesetzt – eine immortalisierte humane Zelllinie mit hoher Transfektionseffizienz.Die Zellen wurden unter standardisierten Bedingungen kultiviert. Sie stammten aus zertifizierten Originalbeständen und wurden regelmäßig negativ auf Mykoplasmen getestet.
Für die Transfektionsexperimente wurden die Zellen in 12-Well-Platten ausgesät. Die Zelldichte wurde so gewählt, dass nach einer kurzen Anwachszeit etwa 80 % der Bodenfläche bedeckt waren. Jedes Well wurde mit 1/12 einer klinischen Dosis (entsprechend 25 µl) des jeweiligen Impfstoffs transfiziert. Ein unmittelbarer Mediumwechsel oder Waschschritt nach der Transfektion ist nicht dokumentiert.
Die Zellen sowie das Kulturmedium wurden zu den Zeitpunkten Tag 1, Tag 3, Tag 5 und Tag 7 nach Transfektion geerntet. Untransfektierte Zellen am Tag 7 dienten als Negativkontrolle.
Zur Proteinanalyse wurden die Zellen gewaschen, um Rückstände des Kulturmediums zu entfernen. Durch Zugabe eines Lysispuffers wurden die Zellen aufgeschlossen, sodass der Zellinhalt freigesetzt wurde. Der Gehalt an SARS-CoV-2-Spike-Protein wurde sowohl im Überstand des Zelllysats als auch im Zellkulturmedium mit einem hochsensitiven, kommerziellen ELISA-Kit quantitativ bestimmt.
Immunhistochemie
Um das Spike-Protein innerhalb der Zellen optisch nachzuweisen, wurde eine Immunhistochemie durchgeführt. Dazu wurden HEK293-Zellen in 24-Well-Platten ausgesät (60 % Zelldichte) und mit 12,5 µl einer klinischen Dosis pro Well transfiziert (200 µl Medium). Nach 4-stündiger Inkubation wurden die Zellen zweimal mit PBS gewaschen und mit 500 µl frischem Medium versetzt.24 Stunden nach Transfektionsbeginn wurden die Zellen geerntet, fixiert, in 2%iger Agarose eingebettet und nach Entwässerung in Paraffinblöcke überführt. Von diesen Blöcken wurden hauchdünne Schnitte angefertigt.
Die Zellschnitte wurden mit einem spezifischen primären Antikörper gegen das SARS-CoV-2-Spike-Protein (S1-Untereinheit) behandelt, der nur an das Spike-Protein bindet. Ein sekundärer Antikörper, der an den ersten bindet und eine Farbreaktion auslöst, wurde hinzugefügt. Das Spike-Protein erschien unter dem Mikroskop grün, während der Zellkern zur besseren Orientierung mit Hämatoxylin blau gegengefärbt wurde.
PCR und Agarosegelelektrophorese
Mittels klassischer PCR wurde geprüft, ob die Impfstoff-DNA in menschliche Zellen eindringt. Für jeden Zielbereich des Plasmids wurde ein eigenes Primer-Paar eingesetzt – für Spike-Sequenzen, den ORI-Replikationsursprung, die Neomycin-Resistenzkassette und den SV40-Promoter/Enhancer. Jeder PCR-Ansatz enthält genau ein Primer-Paar und erzeugt damit ein definiertes Amplikon.Die PCR-Produkte wurden mittels Agarosegelelektrophorese aufgetrennt und durch Vergleich mit einem DNA-Marker (GeneRuler) in ihrer Größe bestimmt. HEK293-Zellen wurden mit einer halben Impfstoffdosis (150 μl) behandelt; nach sechs Stunden wurde die DNA isoliert und analysiert. Untransfektierte Zellen dienten als Negativkontrolle.
Extrazelluläre Vesikel und Massenspektrometrie
Hintergrund: Zellen stoßen ständig Extrazelluläre Vesikel (kleine Membranbläschen) ab, die wie kleine Pakete Botenstoffe enthalten. Diese Vesikel können zu anderen Zellen reisen.Um zu prüfen, ob transfizierte Zellen Impfstoffbestandteile über extrazelluläre Vesikel (EVs) abgeben, wurden EVs aus dem Zellkulturmedium isoliert und mittels Massenspektrometrie (TimsTOF-HT) analysiert. Die Identifizierung der Proteine erfolgte durch Abgleich mit einer Datenbank, die menschliche Proteine sowie Impfstoffvektor- und Spike-Sequenzen enthielt.
c) Zentrale Ergebnisse
Transfektion und Spike-Protein-Produktion
Alle vier untersuchten Chargen führten unter den gewählten Zellkulturbedingungen zu einer effizienten Aufnahme der mRNA in HEK293-Zellen und zur nachweisbaren Spike-Protein-Produktion.Der Anteil Spike-positiver Zellen betrug 74,6 bis 90,5 %; untransfektierte Zellen zeigten kein Signal. Transfizierte Zellen zeigten zudem morphologische Veränderungen – intrazelluläre Vakuolen und Ablösung von der Wachstumsfläche – als Zeichen eines zytopathischen Effekts.
Die Spike-Protein-Produktion war bereits an Tag 1 nachweisbar, stieg bis Tag 5 an und blieb bis Tag 7 nachweisbar. Die Autoren interpretieren dies als Hinweis auf eine länger anhaltende Expression über den erwarteten Zeitraum hinaus.
Spike-Protein-Freisetzung ins Zellkulturmedium
Im Zellkulturmedium war Spike-Protein für die monovalenten Chargen nachweisbar; die bivalente Charge lag unterhalb der Nachweisgrenze.Spike-Protein-Freisetzung über extrazelluläre Vesikel
Die Massenspektrometrie zeigte, dass das Spike-Protein hauptsächlich in extrazellulären Vesikeln nachweisbar war (14 spectral counts), während im löslichen Medium nur minimale Mengen vorlagen (2 spectral counts). Das Zelllysat wies die höchste intrazelluläre Konzentration auf (60 spectral counts).RNA-Gehalt
Die gemessenen RNA-Werte entsprachen der Herstellerangabe von 30 µg pro klinischer Dosis.DNA-Gehalt
Ohne LNP-Aufschluss wurden 1,6- bis 6,7-fach niedrigere DNA-Werte gemessen als nach Triton-X-100-Behandlung – ein weiterer Beleg dafür, dass die DNA überwiegend im Inneren der LNPs vorliegt.Ohne RNase-Behandlung lagen die gemessenen DNA-Werte bei 1.326 bis 4.225 ng pro Dosis. Nach RNase-A-Behandlung sanken die Werte auf 32,71 bis 43,38 ng pro Dosis. Die Autoren führen die hohen Ausgangswerte auf ein Hintergrundsignal zurück, das durch strukturierte RNA-Bereiche entsteht: dsDNA-spezifische Farbstoffe binden bevorzugt an doppelsträngige DNA, können aber in Anwesenheit großer RNA-Mengen ein erhöhtes Signal erzeugen.
Nach Korrektur lagen die gemessenen DNA-Mengen über dem in regulatorischen Leitlinien genannten Grenzwert. Die Ergebnisse waren über mehrere Messungen reproduzierbar und stimmten zwischen den drei eingesetzten Assays gut überein.
PCR-Nachweis von Plasmidelementen
In allen vier Chargen wurden starke PCR-Signale für alle getesteten Plasmidelemente nachgewiesen – Spike-Sequenzen, ORI, Neomycin-Kassette und SV40-Promoter/Enhancer. Dieselben Elemente waren nach Transfektion auch in den HEK293-Zellen nachweisbar. Für den SV40-Promoter/Enhancer erzeugten die Primer zwei Amplifikate unterschiedlicher Größe (93 bp und 165 bp) – ein methodisch bekanntes Ergebnis, das auf die Struktur der Zielsequenz zurückzuführen ist.d) Interpretation durch die Autoren
Die Autoren schlussfolgern, dass die untersuchten Chargen DNA-Rückstände enthalten, die regulatorische Grenzwerte überschreiten. Die DNA liegt überwiegend LNP-verpackt vor, wird von Zellen aufgenommen und ist dort nachweisbar. Die anhaltende Spike-Protein-Produktion über sieben Tage hinaus wirft die Frage auf, wie die langanhaltende Produktion zustande kommt.
Die Autoren heben insbesondere das Vorhandensein des SV40-Promoter/Enhancer hervor. Dieses Element sei für die mRNA-Produktion in E. coli nicht erforderlich. Sie diskutieren, dass solche regulatorischen Elemente in bestimmten experimentellen Kontexten die Transkriptionsaktivität beeinflussen können. Ein möglicher Einfluss auf Kernlokalisation oder genomische Integration wird von den Autoren als theoretische Überlegung angesprochen.
Die Autoren kritisieren die bestehenden regulatorischen Grenzwerte als nicht auf LNP-basierte RNA-Injektionen ausgerichtet und betonen, dass bisher keine wissenschaftliche Evidenz vorliegt, die eine Festlegung eines sicheren DNA-Grenzwerts für diese Produktklasse erlauben würde.
Die Autoren zeigen, dass das Spike-Protein über extrazelluläre Vesikel (Exosomen) freigesetzt wird. In welchem Umfang solche Vesikel im menschlichen Organismus zur Verteilung von Proteinen beitragen, ist Gegenstand aktueller Forschung und bislang nicht abschließend geklärt.
Die Autoren weisen auf ein grundlegendes Problem hin: Die Wahl der Analysemethode beeinflusst das Ergebnis maßgeblich, was bei Studienvergleichen unbedingt berücksichtigt werden sollte.
e) Methodische Einschränkungen
Zelllinie
HEK293-Zellen sind immortalisiert und weisen gegenüber primären Zellen (z. B. Muskel-, Immun- oder Nervenzellen) veränderte Eigenschaften auf, insbesondere eine hohe Transfektionseffizienz und veränderte Regulationsmechanismen.Dosierung
Die verwendete Dosis ist nicht physiologisch. Die eingesetzten Mengen (z. B. 1/12 einer klinischen Dosis pro Well) führen zu einer direkten und lokal hohen Exposition der Zellen, die nicht den Verteilungsbedingungen im menschlichen Körper entspricht.In-vitro-Kontext
Alle Experimente wurden unter Zellkulturbedingungen durchgeführt. Eine direkte Übertragung auf in-vivo-Verhältnisse – etwa hinsichtlich Verteilung, Abbau oder Immunantwort im menschlichen Körper – ist nicht ohne weiteres möglich.Assay-Spezifität
Fluorometrische Methoden sind empfindlich gegenüber Störsignalen, was die Quantifizierung von DNA beeinflussen kann.Mittelwert
Die ermittelte Rest-DNA lag bei 32,71–43,38 ng pro klinischer Dosis. Diese Werte basieren auf fluorometrischen Messungen mit drei unterschiedlichen Assays (PicoGreen, Qubit, AccuBlue). Da die einzelnen Assays teils deutlich voneinander abweichende Ergebnisse lieferten, stellt der angegebene Bereich das arithmetische Mittel über methodisch unterschiedliche Messprinzipien dar. Die Spannbreite der Einzelmessungen ist erheblich, sodass der Mittelwert primär als orientierender Schätzwert zu verstehen ist.f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie geht über die reine Quantifizierung von DNA-Rückständen hinaus: Sie verbindet den analytischen Nachweis mit Zellexperimenten und fragt nach biologischen Konsequenzen. Sie kombiniert mehrere analytische und funktionelle Methoden (fluorometrische Assays, PCR, ELISA und Massenspektrometrie) und verfolgt damit einen vergleichsweise breit angelegten Ansatz.
Die Studie unterstreicht zudem, dass selbst innerhalb derselben methodischen Kategorie erhebliche Unterschiede zwischen einzelnen fluorometrische Assays auftreten können – ein Befund, der die Bedeutung methodischer Standardisierung für künftige Untersuchungen unterstreicht.
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4.3.6. Wang et al. (2024)
A rapid detection method of replication-competent plasmid DNA from COVID-19 mRNA vaccines for quality control.
Autoren: Tayler J. Wang, Alex Kim, Kevin Kim
Veröffentlicht: 29. Dezember 2024 (Journal of High School Science, peer-reviewed)
Link zur Studie: https://jhss.scholasticahq.com/article/127890-a-rapid-detection-method-of-replication-competent-plasmid-dna-from-covid-19-mrna-vaccines-for-quality-controla) Kontext und Ziel der Studie
Die Arbeit von Wang et al. verfolgt eine andere Fragestellung als die bisher vorgestellten Studien. Im Vordergrund steht nicht die Gesamtmenge an DNA-Rückständen, sondern eine spezifischere Frage: Enthält die nachgewiesene DNA noch funktionsfähige, replikationsfähige Plasmidsequenzen – also Fragmente, die in Bakterien eingeschleust und dort vermehrt werden könnten?
Zur Beantwortung dieser Frage entwickelten die Autoren eine einfache und schnelle Nachweismethode. Die Überlegung dabei: Wenn bei der Impfstoffherstellung die DNA-Vorlage nicht vollständig entfernt wurde, könnten noch intakte oder fast intakte Plasmide übrig sein.
Die Arbeit entstand im Rahmen eines studentischen Freiwilligenprogramms der FDA und wurde auf dem FDA White Oak Campus durchgeführt, mit Unterstützung von FDA-Wissenschaftlern. Der Publikationsort – das Journal of High School Science – spiegelt den Ausbildungskontext wider, nicht den institutionellen Rahmen der Arbeit.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Die Studie verwendet verschiedene Probenquellen, die sich grundlegend unterscheiden und bei der Interpretation der Ergebnisse klar getrennt werden müssen.Erstens einen selbst hergestellten Laborimpfstoff mit der XBB.1.5-Spike-Sequenz, produziert mit einem kommerziellen LNP-Kit. Zweitens Biosimilar-Referenzmaterialien von BEI Resources – NIH-gefördertes Referenzmaterial, das für Forschungszwecke hergestellt wurde und nicht identisch mit zugelassenen Handelschargen ist. Drittens zwei kommerzielle Pfizer-Chargen (Lot PAA194854, monovalent; Lot PAA184098, bivalent) – originalversiegelte, zugelassene Impfstoffchargen.
Impfstoff Herkunft Beschreibung In-house mRNA vaccine Selbst hergestellt Enthält XBB.1.5 Spike,
LNP-formuliertModerna Biosimilar BEI Resources nicht das Original Pfizer Biosimilar BEI Resources nicht das Original COMIRNATY Original
(NR-59604)BEI Resources Monovalent (Wuhan) COMIRNATY Bivalent
(NR-59605)BEI Resources Bivalent (Wuhan + Omicron BA.5) DNA-Extraktion
Die DNA wurde mit einem kommerziellen Plasmid-Miniprep-Kit extrahiert (Monarch Plasmid DNA Miniprep, New England Biolabs). Das Kit enthält RNase A im Neutralisierungspuffer, sodass RNA während der Extraktion weitgehend abgebaut wird. Die Elution erfolgte in 30 µl nukleasefreiem Wasser.Quantifizierung
Die DNA-Konzentration wurde mit zwei Methoden bestimmt: NanoDrop-Spektrophotometrie und Qubit dsDNA HS Assay. Die Autoren weisen ausdrücklich darauf hin, dass NanoDrop nicht zwischen DNA und RNA unterscheidet und durch freie Nukleotide, Salze und organische Verbindungen beeinflusst werden kann. Qubit ist spezifischer, kann aber bei großen RNA-Mengen oder unsachgemäßer Probenvorbereitung ebenfalls überschätzen.Transformationstest – das vorgestellte Nachweisverfahren
Zunächst wird die DNA aus dem Impfstoff extrahiert. Diese extrahierte DNA setzt sich aus verschiedenen Fragmenten zusammen – darunter ist möglicherweise auch der Replikationsursprung (ORI), der als Startpunkt der Plasmid-Vervielfältigung dient, sowie das Antibiotikaresistenzgen, das eine Selektion ermöglicht.Die extrahierte DNA wird mit einer T4-DNA-Ligase behandelt. Dieses Enzym verknüpft die Enden von DNA-Fragmenten miteinander. Aus linearen Fragmenten können so wieder ringförmige Plasmide entstehen. Da die Ligase beliebige Enden miteinander verbinden kann, können auch Fragmente zusammengefügt werden, die im ursprünglichen Impfstoff getrennt vorlagen – es entstehen künstliche Artefakte.
Diese neu gebildeten Plasmide werden anschließend in spezielle E. coli-Bakterien eingeschleust (Transformation).
Die zugrundeliegende Überlegung:
- War der DNase-Verdau während der Impfstoffherstellung effizient, sind die DNA-Fragmente so klein, dass sie weder den vollständigen ORI noch das vollständige Resistenzgen enthalten. Dann kann auch durch Ligation kein funktionsfähiges Plasmid entstehen.
- War der DNase-Verdau unvollständig, sind noch größere Fragmente vorhanden, die ORI und Resistenzgen vollständig enthalten können. Diese können nach Ligation ein funktionsfähiges Plasmid bilden. Die Ligase kann nur vorhandene Enden verknüpfen; sie kann keine fehlenden Teile eines Gens aus kleinen Bruchstücken zusammensetzen.
Nur Bakterien, die ein funktionsfähiges Antibiotikaresistenzgen und einen funktionsfähigen ORI aufgenommen haben, überleben auf antibiotikumhaltigem Nährboden und bilden sichtbare Kolonien. Das Vorhandensein von Kolonien ist damit ein direkter biologischer Nachweis für das Vorliegen replikationsfähiger Plasmid-DNA im ursprünglichen Impfstoff.
Größenanalyse
Die Fragmentgrößen wurden mittels Agarosegelelektrophorese und Agilent 2100 Bioanalyzer bestimmt.c) Zentrale Ergebnisse
Quantitative Befunde
Die DNA-Mengen pro Dosis lagen – gemessen mit Qubit – zwischen 40 und 110 ng, also oberhalb des WHO-Grenzwerts von 10 ng. NanoDrop lieferte deutlich höhere Werte (mehrere tausend ng), was die Autoren auf die bekannte Unspezifität dieser Methode zurückführen.Laborimpfstoff und Biosimilar
Im selbst hergestellten Laborimpfstoff und im Pfizer-Biosimilar wurden replikationsfähige DNA-Fragmente gefunden – das Transformationsverfahren erzeugte Kolonien. Im Moderna-Biosimilar und im Haus-Standard wurden trotz höherer DNA-Konzentrationen keine Kolonien nachgewiesen, was zeigt, dass die Koloniebildung nicht allein von der DNA-Menge abhängt, sondern von der Intaktheit der relevanten Sequenzelemente.Kommerzielle Pfizer-Chargen
In den beiden kommerziellen Pfizer-Chargen wurden keine replikationsfähigen DNA-Fragmente gefunden – der Transformationstest blieb ohne Kolonien. Die Größenanalyse zeigte, dass nahezu die gesamte nachgewiesene DNA kürzer als 35 bp war. Dieses Ergebnis ist nach Einschätzung der Autoren mit einer vollständig durchgeführten DNase-Behandlung vereinbar.d) Interpretation durch die Autoren
Die Autoren werten das Fehlen replikationsfähiger DNA in den kommerziellen Chargen als Beleg für die Wirksamkeit des industriellen Herstellungsprozesses. Die vollständige Fragmentierung der Plasmid-DNA auf unter 35 bp macht eine biologische Aktivität der DNA-Reste nach Einschätzung der Autoren unwahrscheinlich – einschließlich der SV40-Promoter/Enhancer-Sequenz, deren Funktionsfähigkeit bei dieser Fragmentgröße praktisch ausgeschlossen wird.
Gleichzeitig bestätigen die Autoren, dass die DNA-Gesamtmenge den WHO-Grenzwert überschreitet, und empfehlen eine stringentere und transparentere Überwachung der DNA-Rückstände – auch mit dem Ziel, das öffentliche Vertrauen in mRNA-Impfstoffe zu stärken.
e) Methodische Einschränkungen
Stichprobengröße und -auswahl
Die Untersuchung umfasst lediglich zwei kommerzielle Chargen, was keine belastbaren Aussagen zur Chargenvariabilität zulässt. Die verwendeten Biosimilar-Proben sind nicht identisch mit zugelassenen Handelsprodukten; daher sind Ergebnisse aus diesen Proben nicht ohne Weiteres auf kommerzielle Impfstoffe übertragbar.DNA-Extraktion
Die Extraktion erfolgte mit einem Plasmid-Miniprep-Kit, das primär für die Isolierung intakter Plasmide optimiert ist. Inwieweit stark fragmentierte DNA-Reste – insbesondere sehr kurze Fragmente – mit dieser Methode vollständig erfasst werden, ist nicht abschließend geklärt.Nachweisgrenzen der Transformationsmethode
Die Methode detektiert ausschließlich DNA-Fragmente, die nach Ligation einen funktionsfähigen Replikationsursprung (ORI) und ein Antibiotikaresistenzgen enthalten. Sie prüft, ob ausreichend große Fragmente (>800 bp für das Resistenzgen, >600 bp für den ORI) vorhanden sind, die nach Ligation ein funktionsfähiges Plasmid bilden können. Fragmente ohne diese Elemente – selbst wenn sie andere relevante Sequenzen wie den SV40-Enhancer (ca. 72–165 bp) enthalten würden – werden nicht erfasst.
Zudem kann die Ligation künstlich Plasmide erzeugen, die im ursprünglichen Impfstoff nicht vorhanden waren.Begrenzung der funktionellen Aussagekraft
Der verwendete Transformationsassay untersucht ausschließlich, ob DNA-Fragmente nach Aufnahme in Bakterien ein replizierfähiges Plasmid bilden können. Andere mögliche biologische Eigenschaften von DNA-Fragmenten werden durch dieses System nicht erfasst. Insbesondere erlaubt die Methode keine Aussagen darüber, ob kleinere oder nicht replizierfähige Fragmente in anderen biologischen Kontexten funktionelle Effekte besitzen könnten. Die Studie bewertet somit spezifisch die bakterielle Replikationsfähigkeit bestimmter Plasmidbestandteile – nicht die allgemeine biologische Relevanz sämtlicher nachweisbarer DNA-Fragmente.f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie von Wang et al. untersucht, ob in den Impfstoffproben noch biologisch aktive, replikationsfähige Plasmid-DNA nachweisbar ist.
Damit erweitert die Arbeit die bisherige Diskussion um eine zusätzliche Ebene. Während PCR-, Fluorometrie- und Sequenzierungsverfahren vor allem Aussagen über Menge, Sequenzidentität und Fragmentlänge erlauben, prüft der verwendete Transformationsassay gezielt die funktionelle Integrität der DNA im bakteriellen System.
Gleichzeitig bleibt die Aussagekraft des Ansatzes auf die im Experiment getestete Funktion beschränkt: Der Assay erfasst ausschließlich DNA, die in Bakterien transformierbar und replizierbar ist. Andere biologische Eigenschaften oder potenzielle Wirkmechanismen von DNA-Fragmenten werden damit nicht untersucht.
Insgesamt liefert die Arbeit einen methodisch interessanten Beitrag zur Diskussion, indem sie die Frage nach der funktionellen Relevanz von DNA-Rückständen in den Mittelpunkt stellt und damit eine wichtige Ergänzung zu rein quantitativen Analysen darstellt.
Die Studie verdeutlicht damit, dass die Bewertung von DNA-Rückständen nicht allein auf deren Menge basieren sollte, sondern wesentlich von deren strukturellen und funktionellen Eigenschaften abhängt.
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4.3.7. Fleming et al. (2025)
Quantitative Analysis of Nucleic Acid Content in Spikevax (Moderna) and BNT162b2 (Pfizer) COVID-19 Vaccine Lots
Autoren: Richard M Fleming PhD, MD, JD; Peter Kotlár MD; Sona Pekova MD, PhD
Veröffentlicht: 13. Mai 2025 (Herald Open Access)
Link zur Studie: https://www.heraldopenaccess.us/openaccess/quantitative-analysis-of-nucleic-acid-content-in-spikevax-moderna-and-bnt162b2-pfizer-covid-19-vaccine-lotsa) Kontext und Ziel der Studie
Die Studie entstand im Kontext einer behördlichen Anfrage in der Slowakei. Ziel der Untersuchung war die Charakterisierung der Nukleinsäurezusammensetzung von mRNA-COVID-19-Impfstoffen im Hinblick auf:
- Identifizierung und Quantifizierung der enthaltenen Nukleinsäuren
- Prüfung der Chargen-Homogenität (zwischen und innerhalb von Lots)
- Nachweis undeklarierter genetischer Materialien
- Bewertung der Stabilität abgelaufener Chargen
Die Ergebnisse sollten Erkenntnisse über die Zusammensetzung, Stabilität und Herstellungspraxis von Impfstoffen liefern.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Die molekulare Analyse wurde an 24 Chargen – Moderna (17) und Pfizer (7) – durchgeführt:Spikevax (Moderna): MV1013A, 200023A, 200156A, 223049, 200090A, 200106A, 200100A, 3005885, 3005836, 000090A, 000058A, 3005241, 3005697, 3006272, MV1018A, 400012A, 400011A und
BNT162b2 (Pfizer): FP9632, 1F1051A, 1LO84A, 1F1047A, 1F1059A, 1F1055A, PCB0020.
Pro Charge wurden fünf originalverpackte, ungeöffnete Fläschchen analysiert, die bei -80 °C gelagert und unter dokumentierter Temperaturkontrolle transportiert wurden. Die Provenienzdokumentation ist damit vergleichsweise gut belegt.
Aufschluss der Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Die LNPs wurden durch eine Kombination aus:
▪️chaotropen Salzen (Isolierungskit QIAamp DNA Mini Kit (Qiagen, DE)),
▪️Hitze (60 °C) und
▪️enzymatischem Verdau (Proteinase K)
vollständig aufgelöst.Dadurch wurden sowohl die mRNA als auch eventuelle DNA-Rückstände freigesetzt.
Reverse Transkription und Multiplex qPCR
Die mRNA wurde durch Reverse Transkription in cDNA umgeschrieben. Die anschließende Quantifizierung erfolgte mittels Multiplex Real-Time PCR (Rotor-Gene Q, Qiagen) mit vier simultanen Farbkanälen:- FAM (Grün): für das S-Protein (cDNA)
- HEX (Gelb): für die Vektor-Ori-DNA
- Cy5 (Rot): für die E. coli-DNA
- ROX: als passive Referenz.
Alle drei Zielsequenzen wurden damit in einem einzigen Reaktionsansatz gleichzeitig erfasst, wobei mögliche Wechselwirkungen zwischen den Targets (z. B. Konkurrenz um Reagenzien) die Quantifizierung beeinflussen können.
Quantifizierung mittels qPCR
Für die Multiplex quantitative Real-Time PCR verwendeten die Autoren Primer für drei verschiedene Zielsequenzen:Ziel Quelle mRNA für S-Protein
(Spikevax & BNT162b2)selbst entworfen Expressionsvektor-DNA (Ori) aus anderen Studien übernommen E. coli-genomische DNA (ITS) aus kommerziellem Kit (ISO 13485-validiert) Alle verwendeten Primer und fluoreszenzmarkierten Hybridisierungssonden wurden von Eurofins Genomics, DE, kundenspezifisch synthetisiert.
Kalibrationsstrategie
Da die mRNA in den Impfstoffen mit N1-Methylpseudouridin modifiziert ist und das genaue Ausmaß dieser Modifikation nicht bekannt ist, konnten keine synthetischen Standards für eine klassische zielspezifische Kalibrationskurve hergestellt werden. Die Autoren validierten stattdessen die PCR-Effizienz durch serielle Verdünnungsreihen der Impfstoffproben selbst. Für die absolute Quantifizierung verwendeten sie eine universelle Kalibrationskurve, die aus Verdünnungsreihen von 50 verschiedenen Mikroorganismen gemittelt wurde.Verifikation durch Sanger-Sequenzierung
Die PCR-Produkte aller 24 Chargen wurden mittels Sanger-Sequenzierung verifiziert und mit Datenbankeinträgen verglichen.c) Zentrale Ergebnisse
mRNA-Nachweis und Chargenvariabilität
Die PCR-Analyse bestätigte das Vorhandensein der deklarierten mRNA-Sequenzen für das Spike-Protein in beiden Impfstoffen.
Die Analyse der mRNA für das S-Protein zeigte eine erhebliche Variabilität zwischen verschiedenen Chargen – bei beiden Impfstoffen.
Die absoluten mRNA-Mengen lagen im Bereich von 109 bis 1010 Kopien/ml (gemessen als cDNA). Einzelne Chargen zeigten jedoch eine 10-fach niedrigere mRNA-Menge – bei beiden Impfstoffen.Nachweis undeklarierter DNA-Sequenzen als Zufallsbefund
Während der Validierung der cDNA-Verdünnungsreihen zeigten sich unerwartet starke Signale in den DNA-Kanälen: im Cy5-Kanal (für Ori-DNA) und teilweise im HEX-Kanal (für E. coli-DNA). Da die Proben neben cDNA auch DNA-Rückstände enthielten, amplifizierten die Ori- und E. coli-Primer diese unbeabsichtigt mit. Die entsprechenden PCR-Produkte wurden aufgereinigt und mittels Sanger-Sequenzierung identifiziert: Sie zeigten 100%ige Übereinstimmung mit dem Expressionsvektor (Plasmid-Ori und Spike-Kassette) sowie mit der E. coli-ITS-Region.Quantitative DNA-Befunde
Ein zentraler Befund der Studie ist der durchgängig hohe Gehalt an DNA in allen getesteten Chargen – sowohl von Moderna als auch von Pfizer.Impfstoff mRNA (cDNA) (Kopien/ml) DNA-Menge (Kopien/ml) Spikevax (Moderna) 109 – 1010 107 – 109 BNT162b2 (Pfizer) 1010 – 1011 108 – 109 Hinweis auf nahezu vollständige DNA-Konstrukte
Die Autoren beobachten, dass der Ori-Primer (5′-Ende des Konstrukts) und der Spike-Primer (3′-Ende, Basen 3184–3417) gleichzeitig ein Signal liefern. Da beide Primerbindestellen mehrere tausend Basenpaare voneinander entfernt sind, deutet dies darauf hin, dass zumindest längere DNA-Fragmente vorhanden sind, die beide Zielbereiche umfassen könnten.Auffällige Chargenheterogenität bei Moderna
Bei drei Moderna-Chargen ist das Verhältnis von Spike-DNA zu Vektor-DNA umgekehrt und um eine Größenordnung verschoben – in eine Richtung, die nicht zu einem einzigen Plasmid passt. Die Autoren spekulieren, dass diese Chargen ein zweites DNA-Konstrukt enthalten könnten – möglicherweise eine Omicron-Variante im selben Vektor.E. coli-DNA
In zwei Pfizer-Chargen wurde E. coli-genomische DNA im Bereich einzelner Kopien pro Milliliter nachgewiesen – knapp oberhalb der Nachweisgrenze.SV40
Es wurden keine Hinweise auf SV40 festgestellt.d) Interpretation durch die Autoren
Anwesenheit der DNA
Die Autoren argumentieren, dass die nachgewiesenen DNA-Mengen – vergleichbar mit der deklarierten mRNA-Menge in der Größenordnung von 107 bis 109 Kopien/ml – zu hoch sind, um als zufällige Kontamination erklärt zu werden. Die Autoren interpretieren die DNA als regulären, wenn auch nicht deklarierten Bestandteil der Impfstoffe.Chargen-Variabilität und mRNA-Identität
Die Chargenvariabilität der mRNA wird als mögliches Problem für die Dosierungskonsistenz bewertet. Die Verwendung der veralteten Wuhan-Spike-Sequenz wird als Einschränkung der Schutzwirkung gegen aktuell zirkulierende Varianten kritisiert.Aufgrund der Analysebefunde empfehlen die Autoren:
- verbesserte Reinigungsprotokolle,
- strengere Chargenprüfung,
- genomische Aktualisierungen und
- eine verstärkte behördliche Aufsicht.
e) Methodische Einschränkungen
Universelle Kalibrationskurve
Die absolute Quantifizierung basiert nicht auf einer zielspezifischen Standardkurve, sondern auf einer universellen Kurve, die aus 50 verschiedenen Mikroorganismen gemittelt wurde. Diese Methode setzt eine vergleichbare PCR-Effizienz für alle Zielsequenzen voraus. Diese Annahme ist insbesondere bei unterschiedlichen Zielsequenzen (mRNA, Plasmid-DNA, bakterielle DNA) und komplexen Probenmatrices nicht selbstverständlich. Die absoluten Kopienzahlen sind daher mit Vorsicht zu interpretieren; die qualitativen Befunde – also das Vorhandensein der nachgewiesenen Sequenzen – sind davon weniger betroffen.Keine Messung vor LNP-Aufschluss
Im Unterschied zu anderen Studien wurde keine Messung vor dem Aufschluss der LNPs durchgeführt. Damit fehlt der direkte Vergleich, der Aussagen über den Anteil LNP-verpackter DNA ermöglichen würde.SV40-Aussage nicht aussagekräftig
Die Autoren berichten, kein SV40 nachgewiesen zu haben. Das verwendete Primer-Set enthielt jedoch keine SV40-spezifischen Sequenzen. Die Aussage ist damit zwar korrekt, aber nicht informativ – ein Nachweis oder Ausschluss von SV40 war mit diesem Ansatz methodisch nicht möglich.f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie von Fleming et al. erweitert die bisherige Literatur vor allem durch ihren vergleichenden Ansatz über eine relativ große Anzahl von Chargen.
Methodisch kombiniert sie Multiplex-qPCR mit Sanger-Sequenzierung zur Verifikation der amplifizierten Produkte. Der Nachweis von DNA-Sequenzen, einschließlich Plasmid- und bakterieller DNA steht im Einklang mit vorherigen Studien.
Besondere Aufmerksamkeit richtet die Arbeit auf Unterschiede zwischen Chargen sowie auf quantitative Vergleiche der gemessenen Nukleinsäureanteile. Die beobachtete Variabilität zwischen einzelnen Lots ergänzt damit die bestehende Diskussion über mögliche Unterschiede in Zusammensetzung, Fragmentierung und analytischer Erfassbarkeit der DNA-Rückstände.
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4.3.8. Speicher et al. (2025)
Quantification of residual plasmid DNA and SV40 promoter-enhancer sequences in Pfizer/BioNTech and Moderna modRNA COVID-19 vaccines from Ontario, Canada
Autoren: David Speicher, Jessica Rose, Kevin McKernan
Veröffentlicht: 25. September 2025 (PubMed/Herald Open Access)
Link zur Studie: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40913499/a) Kontext und Ziel der Studie
Die Studie von Speicher, Rose und McKernan ist eine methodisch erweiterte Folgearbeit zur früheren Untersuchung derselben Autorengruppe (Studie 2, 2023). Sie baut inhaltlich auf den Befunden von McKernan et al. und Kämmerer et al. auf und verfolgt das Ziel, die DNA-Rückstände in mRNA-Impfstoffen mit zwei unabhängigen Methoden – qPCR und Qubit-Fluorometrie mit RNase-Korrektur – an einer größeren Stichprobe zu quantifizieren.
Ergänzend werden Fragmentlängen mittels Oxford-Nanopore-Sequenzierung bestimmt sowie eine explorative Korrelation mit VAERS-Nebenwirkungsdaten durchgeführt.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Für die Untersuchung wurden insgesamt 32 Fläschchen aus 16 Chargen mRNA-basierter COVID-19-Impfstoffe verwendet: BNT162b2 (Pfizer/BioNTech; 10 Vials aus 6 Chargen) und mRNA-1273 (Moderna; 22 Vials aus 10 Chargen). Die Proben wurden aus verschiedenen Apotheken in Ontario, Kanada, bezogen.Die Fläschchen waren originalversiegelt und wiesen unbeschädigte Flip-off-Kappen mit Chargennummern und Verfallsdaten auf. Lagerung und Transport erfolgten unter Einhaltung der Kühlkette (2–8 °C). Die Proben wurden in spezialisierten Kühleinheiten gelagert und in isolierten Behältern mit Kühlakkus transportiert; bevor sie innerhalb von 5 Stunden nach Erhalt in den Kühlschrank des Testlabors gestellt wurden.
Ein Teil der Proben bestand aus Restmengen kürzlich verwendeter Fläschchen (innerhalb von 30 Minuten nach Anwendung), die ebenfalls gekühlt transportiert und innerhalb von 12 Stunden im Labor eingelagert wurden.
Eine Moderna-Probe wies kein aufgedrucktes Verfallsdatum auf, verfügte jedoch über einen QR-Code zur Identifikation durch Apothekenpersonal.
Aufschluss der Lipid-Nanopartikel (LNPs)
Zum Aufschluss der Lipid-Nanopartikel (LNPs) wurden die Proben 8 Minuten bei 95 °C erhitzt und anschließend für 5 Minuten auf 4 °C abgekühlt. Dieser thermische Schritt dient der Freisetzung der enthaltenen Nukleinsäuren.Quantifizierung mittels qPCR
Die DNA-Konzentrationen wurden mittels qPCR über den Cq-Wert bestimmt. Die Primer entsprechen weitgehend den früheren Assays der Autorengruppe: Spike-Sonde, Ori-Sonde sowie ein SV40-Enhancer-Assay für Pfizer-Chargen.Die Quantifizierung erfolgte anhand einer Kalibrationskurve mit synthetischer DNA und 10-fachen Verdünnungsreihen (QuantStudio 3). Aus der gemessenen Kopienzahl der Zielsequenzen wurde unter Berücksichtigung der Gesamtplasmidlänge (Pfizer: 7.824 bp; Moderna: 6.777 bp) die Gesamt-DNA-Menge pro Dosis berechnet.
Jeweils 1 µL der behandelten Impfstoffprobe wurde ohne vorherige DNA-Extraktion direkt in die qPCR eingesetzt. Eine mögliche PCR-Inhibition durch Impfstoffbestandteile wurde durch Verdünnungsreihen ausgewählter Proben überprüft.
Quantifizierung mittels Qubit-Fluorometrie
Die Proben wurden mit dem DNA-spezifischen Farbstoff AccuGreen mehrfach gemessen: ohne Vorbehandlung, nach LNP-Aufschluss durch Erhitzen sowie nach einer RNase-A-Behandlung. Letztere korrigiert den RNA-bedingten Signalanteil (Crosstalk des Farbstoffs – der auch an RNA bindet). Die Autoren verfolgten den Abfall der Fluoreszenz über 10 Minuten in einer Zeitreihe. Dadurch konnten sie den RNA-bedingten Signalanteil ermitteln und die reine DNA-Konzentration berechnen.Größenprofil der Rest-DNA mittels ONT-Sequenzierung
Zur Bestimmung der Größenverteilung der DNA-Fragmente wurde eine zuvor sequenzierte Pfizer-Charge (FL8095) als Standard verwendet. Die Sequenzierung erfolgte auf einer Oxford Nanopore Flongle mit dem Ligation Sequencing Kit (SQK-LSK114). Die erhaltenen Reads wurden mit einer Referenz-Plasmid-Sequenz abgeglichen.Der verwendete Bibliotheksaufbau (SPRI-basierte Aufreinigung) kann kurze Fragmente (<100-200 bp) verlieren, sodass die Längenverteilung zu längeren Fragmenten hin verzerrt ist.
Beurteilung der Nukleaseempfindlichkeit
Zur Prüfung, ob die DNA im Inneren der LNPs vorliegt, wurde DNase I-XT direkt zum unveränderten Impfstoff gegeben. Nach 30-minütiger Inkubation wurde das Enzym inaktiviert, die DNA aufgereinigt und mittels qPCR quantifiziert. Eine nackte DNA-Kontrolle diente als Referenz.Explorative VAERS-Korrelation mit den gemessenen DNA-Mengen
Für jede Charge wurden VAERS-Meldungen aus Kanada erfasst und die Anzahl schwerwiegender unerwünschter Ereignisse (SAEs) mit den gemessenen DNA-Gehalten korreliert. Ziel war es, eine mögliche Korrelation zwischen den gemessenen DNA-Gehalten (Spike, Ori, SV40) und der Häufigkeit von Nebenwirkungen zu untersuchen. Zur Berechnung des Zusammenhangs wurde der Pearson-Korrelationskoeffizient verwendet.c) Zentrale Ergebnisse
qPCR-Validierung
Die qPCR-Assays für Spike und Ori zeigten exzellente R2-Werte (0,998–0,999) und Effizienzen (94,7–99,8 %). Der SV40-Assay hatte eine etwas geringere Güte (R2 = 0,906, Effizienz 93,6 %). Negativkontrollen waren unauffällig.LNP-Inhibition
Unverdünnte Proben zeigten eine PCR-Inhibition durch die LNPs. Nach 1:10 Verdünnung war die Inhibition aufgehoben, daher wurden für die Quantifizierung verdünnte Proben verwendet.Quantifizierung mittels qPCR
Alle Pfizer-Chargen waren positiv für Spike, Ori und SV40. Die ähnlichen Cq-Werte aller drei Targets deuten auf gemeinsame, intakte DNA-Moleküle hin. Bei Moderna waren Spike und Ori nachweisbar, kein SV40. Die Ori-Signale traten bei Moderna etwa 3 Zyklen später auf als Spike, was auf einen geringeren Anteil oder eine Fragmentierung der Ori-Region hindeutet.Die Autoren rechneten die Cq-Werte über die Standardkurve in absolute DNA-Mengen um:
Impfstoff Spike (ng/Dosis) Ori (ng/Dosis) SV40 (ng/Dosis) Pfizer 0,22 – 2,43 0,28 – 7,28 0,25 – 23,72 Moderna 0,25 – 0,78 0,01 – 0,34 nicht nachweisbar Pfizer wies eine deutlich höhere Menge an Rest-DNA auf als Moderna.
Zwei Pfizer-Chargen (FM7380 und FN7934, monovalent, PBS-Formulierung) überschritten mit SV40-Gehalten von bis zu 23,72 ng/Dosis den FDA-Richtwert von 10 ng/Dosis. Alle anderen Chargen lagen unter diesem Wert.
Quantifizierung mittels Qubit-Fluorometrie
Die Autoren testeten die Proben mehrfach zu verschiedenen Zeiten. Die durchschnittliche Varianz (durchschnittliche Abweichung vom Durchschnitt) betrug:Messphase Pfizer Spanne vor dem Erhitzen 317 ± 278 ng/Dosis 43 bis 727 ng/Dosis nach dem Erhitzen 1.145 ± 533 ng/Dosis 519 bis 1.949 ng/Dosis nach RNase A 297 ± 217 ng/Dosis 100 bis 765 ng/Dosis Messphase Moderna Spanne vor dem Erhitzen 456 ± 121 ng/Dosis 199 bis 675 ng/Dosis nach dem Erhitzen 1.554 ± 1.023 ng/Dosis 176 bis 3.169 ng/Dosis nach RNase A 1.065 ± 624 ng/Dosis 113 bis 2.365 ng/Dosis Nach LNP-Aufbruch durch Erhitzen stiegen die Werte deutlich an. Die anschließende RNase A-Behandlung reduzierte die Werte (Crosstalk-Korrektur).
Moderna enthielt durchgängig höhere DNA-Mengen als Pfizer.
Der Vergleich von Qubit und qPCR zeigte bei Pfizer eine positive Korrelation, bei Moderna nicht – was auf DNA-Fragmente hindeutet, die keine intakten Primerbindestellen mehr enthalten und daher in der qPCR nicht erfasst werden.
Fragmentlängenanalyse
Der längste detektierte Read umfasste 3,5 kb und deckte den Großteil des Plasmid-Backbones ab. Das zeigt, dass neben kurzen Fragmenten auch größere DNA-Fragmente im Kilobasenbereich vorhanden sind.DNA liegt im Inneren der LNPs
Die DNase-Behandlung führte zu keinem signifikanten DNA-Verlust in der Impfstoffprobe (≤1 Cq Offset), während die nackte Kontroll-DNA vollständig abgebaut wurde. Dies bestätigt, dass die DNA überwiegend LNP-verpackt und damit vor enzymatischem Abbau geschützt ist.Explorative VAERS-Korrelation mit den gemessenen DNA-Mengen
Für die untersuchten Chargen wurden Meldedaten aus dem US-amerikanischen Spontanmeldesystem VAERS herangezogen. Für alle untersuchten Chargen außer drei Moderna-Chargen lagen VAERS-Meldungen vor.
Die Autoren führten eine explorative Korrelation zwischen gemessenen DNA-Gehalten und VAERS-Meldedaten durch. Dabei zeigten einzelne Chargen mit höheren DNA-Werten (insbesondere Ori-DNA) auch höhere Anzahlen gemeldeter schwerwiegender Ereignisse (SAEs).d) Interpretation durch die Autoren
Die Autoren schlussfolgern, dass alle untersuchten Chargen DNA-Rückstände enthalten, die LNP-verpackt und damit vor Abbau geschützt sind. Die gemessenen Gesamtmengen überschreiten die bestehenden Richtwerte. Das SV40-Promoter/Enhancer-Element in Pfizer-Chargen wird als besonders relevant hervorgehoben, da es nukleares Targeting begünstigen und theoretisch die Integrationswahrscheinlichkeit erhöhen könnte.
Die Autoren weisen auf mehrere methodische Probleme hin:
Methode Problem qPCR Kann Moleküle kleiner als die Amplikonlänge (105–114 bp) nicht quantifizieren → Unterschätzung der Gesamt-DNA Qubit/Fluorometrie ohne RNase Überschätzung durch Crosstalk mit RNA (daher RNase-Behandlung notwendig) Ethanol-Fällung Verlust kurzer Fragmente (<100 bp) ONT (Nanopore) Bibliotheksvorbereitung selektiert gegen Fragmente <150 bp – Verzerrung zu längeren Fragmenten Daher schlussfolgern die Autoren: Die Wahl der Methode beeinflusst das Ergebnis stark – daher ist methodische Klarheit bei Grenzwertfestlegungen essenziell.
Die Autoren formulieren mehrere Forderungen:
Forderung Begründung Neubewertung der DNA-Grenzwerte Die aktuellen regulatorischen Grenzwerte wurden für nackte DNA in herkömmlichen Impfstoffen entwickelt. Sie sollten unter Berücksichtigung der LNP-Verkapselung, der kumulativen Dosierung und der funktionellen Sequenzen neu bewertet werden. Methoden-Standardisierung Da qPCR die Gesamt-DNA unterschätzt, sollte zusätzlich Fluorometrie mit RNase-Korrektur eingesetzt werden, um die Rest-DNA sowie das RNA/DNA-Verhältnis korrekt zu quantifizieren. Unabhängige Replikation Weitere Labore sollten die Ergebnisse bestätigen. Langzeit-Monitoring Spätfolgen (z. B. Integration, Krebs) werden von VAERS nicht erfasst. Berücksichtigung funktioneller Sequenzen Nicht nur die Menge der DNA ist entscheidend, sondern auch ihre funktionellen Eigenschaften – insbesondere das Vorhandensein von SV40-Elementen und Promotoren. Die Variabilität der Rest-DNA zwischen und innerhalb einzelner Chargen interpretieren die Autoren als möglichen Hinweis auf einen inkonsistenten Herstellungsprozess.
e) Methodische Einschränkungen
Die qPCR kann Fragmente unterhalb der Amplikon-Länge (105–152 bp) nicht erfassen und unterschätzt damit die Gesamt-DNA systematisch.
Die ONT-Daten basieren auf einer einzigen Charge und sind durch die Aufreinigungsmethode zu längeren Fragmenten hin verzerrt.
Die explorative VAERS-Korrelation mit den gemessenen DNA-Mengen ist aufgrund der bekannten Limitationen von Spontanmeldesystemen – insbesondere fehlender Expositionsdaten und möglicher Verzerrungen in der Meldestruktur – nur eingeschränkt interpretierbar. Die Autoren betonen zudem weitere Einschränkungen: begrenzte Chargengröße, keine Kenntnis der verabreichten Dosen und eine Unterfassung möglicher Langzeiteffekte.
Die Proben umfassen sowohl abgelaufene Fläschchen als auch angebrochene Restmengen, was die Vergleichbarkeit innerhalb der Stichprobe einschränkt.
f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie stellt eine methodisch erweiterte Fortführung früherer Arbeiten derselben Autorengruppe dar und kombiniert mehrere analytische Ansätze – qPCR, fluorometrische Quantifizierung mit RNase-Korrektur, Nanopore-Sequenzierung sowie funktionelle Tests zur Nukleaseempfindlichkeit. Besonders hervorzuheben ist der direkte Vergleich unterschiedlicher Quantifizierungsmethoden, der die methodische Abhängigkeit der gemessenen DNA-Mengen deutlich macht.
Die qualitativen Befunde – insbesondere der Nachweis von Plasmid-DNA in beiden Impfstoffen sowie von SV40-Sequenzen in Pfizer-Chargen – stehen im Einklang mit anderen Studien (u. a. McKernan et al., Kämmerer et al.). Auch der Hinweis auf eine Verkapselung der DNA durch Lipid-Nanopartikel wird durch mehrere Arbeiten gestützt.
Gleichzeitig zeigen sich deutliche Unterschiede in der quantitativen Einordnung der DNA-Mengen zwischen den verwendeten Methoden (qPCR vs. Fluorometrie). Diese Divergenzen unterstreichen die Bedeutung methodischer Standardisierung und erschweren direkte Vergleiche zwischen Studien.
Insgesamt erweitert die Studie die bestehende Datenlage durch einen breiteren methodischen Ansatz und eine größere Stichprobe. Sie liefert vor allem Hinweise auf methodische Fragestellungen und Variabilität der Messergebnisse, die in zukünftigen Untersuchungen weiter systematisch geklärt werden müssen.
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4.3.9. Achs et al. (2025)
Systematic analysis of COVID-19 mRNA vaccines using four orthogonal approaches demonstrates no excessive DNA impurities
Autoren: Adam Achs, Tatiana Sedlackova, Lukas Predajna, Jaroslav Budis, Maria Bartosova, Vladimir Zelnik, Diana Rusnakova, Martina Melichercikova, Marta Miklosova, Veronika Gencurova, Barbora Cernakova, Tomas Szemes, Boris Klempa, Juraj Kopacek, Silvia Pastorekova
Veröffentlicht: 13. Dezember 2025 (npj Vaccines, peer-reviewed; PMCID verfügbar)
Link zur Studie: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC12715226/a) Kontext und Ziel der Studie
Die Studie von Achs et al. verfolgt einen systematischen und methodisch breit angelegten Ansatz zur Untersuchung möglicher DNA-Rückstände in mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen. Sie entstand vor dem Hintergrund früherer Arbeiten, in denen teilweise erhöhte DNA-Mengen sowie spezifische Sequenzelemente berichtet wurden.
Ziel der Arbeit ist es, diese Fragestellung mit mehreren unabhängigen, sich ergänzenden Analysemethoden („orthogonale Ansätze“) erneut zu prüfen und die Robustheit der Ergebnisse gegenüber methodischen Einflüssen zu bewerten. Dabei steht insbesondere die Frage im Mittelpunkt, ob die in anderen Studien beschriebenen DNA-Rückstände reproduzierbar sind oder durch methodische Artefakte erklärt werden können.
Ein weiterer Fokus liegt auf der Bewertung der eingesetzten Nachweismethoden selbst: Die Autoren untersuchen, inwieweit unterschiedliche analytische Verfahren – etwa Sequenzierung, qPCR und fluorometrische Messungen – zu abweichenden Ergebnissen führen können und welche methodischen Limitationen dabei zu berücksichtigen sind.
Die Studie zielt damit nicht nur auf die Quantifizierung möglicher DNA-Rückstände ab, sondern auch auf eine methodische Einordnung der bestehenden Literatur und die Frage, wie zuverlässig verschiedene Nachweisansätze in diesem Kontext sind.
b) Materialien und Methoden
Impfstoffchargen
Untersucht wurden 15 Chargen – 9 Comirnaty (Pfizer) und 6 Spikevax (Moderna) – aus staatlich verwalteten Impfstoffbeständen der Slowakei, bereitgestellt unter Aufsicht des Staatlichen Instituts für Arzneimittelkontrolle. Vier Comirnaty-Chargen waren zum Zeitpunkt der Analyse noch innerhalb ihres Verfallsdatums. Die übrigen Chargen hatten ihr Verfallsdatum bereits überschritten. Die Fläschchen wurden entsprechend den Herstellerangaben gelagert und transportiert.Ein Teil der Chargen – konkret jene, die auch in Fleming et al. (Studie 7) untersucht worden waren – wurde bewusst einbezogen, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen.
Vier orthogonale Analysemethoden
Das methodische Kernmerkmal der Studie ist der Einsatz von vier unabhängigen, sich gegenseitig ergänzenden Verfahren an denselben Proben. Jede Methode hat ihre spezifischen Stärken und Limitationen – die Kombination soll robustere Schlussfolgerungen ermöglichen als jede Methode für sich.Methode 1: qPCR
Die LNPs wurden mit Triton X-100 aufgeschlossen; die behandelte Probe wurde ohne vorherige DNA-Extraktion direkt in die qPCR eingesetzt. Damit entfällt ein Aufreinigungsschritt, der zu DNA-Verlusten führen könnte. Die Autoren prüften explizit mögliche PCR-Inhibitionen durch Impfstoffbestandteile und berichteten unter den verwendeten Bedingungen keine relevante Hemmung der Amplifikation.Es wurden acht Primer-Paare eingesetzt, die drei Regionen des Produktionsplasmids abdecken: die Spike-kodierende Sequenz (SPIKE), den Replikationsursprung (ORI) und das Kanamycin-Resistenzgen (KAN). Dabei variierten die Amplikon-Größen erheblich: von 63 bp (KAN 1C) bis 233 bp (SPIKE 2). Zwei der Primer-Paare – SPIKE 2 und ORI 2 – entsprechen denjenigen, die in Fleming et al. verwendet wurden, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen.
Die Quantifizierung erfolgte über Kalibrationskurven mit synthetischen DNA-Standards (gBlocks), die den jeweiligen Zielsequenzen entsprechen. Die gemessenen Kopienzahlen wurden anhand der Molekülmasse des jeweiligen Amplikons in Nanogramm pro Dosis umgerechnet.
Methode 2: Fluorometrie
Für die fluorometrische DNA-Quantifizierung wurde eine DNA-Extraktion durchgeführt – mit zwei verschiedenen Extraktionsmethoden: Phenol-Chloroform-Extraktion (Ausbeute 60–80 %) und magnetische Beads für zellfreie DNA (Ausbeute 90–95 %). Beide Methoden schlossen eine RNase-A-Behandlung ein, um die störende Wirkung der mRNA auf den DNA-spezifischen Farbstoff zu eliminieren.Die Autoren zeigten experimentell, dass bereits geringe RNA-Mengen das DNA-Signal erheblich überschätzen lassen – und dass eine RNase-Behandlung notwendig ist, um RNA-bedingte Überschätzungen der DNA-Menge zu minimieren. Die RNA-Konzentration nach der Behandlung wurde kontrolliert und auf unter 1 ng/µl gesenkt.
Methode 3: Kapillarelektrophorese
Die Kapillarelektrophorese wurde eingesetzt, um sehr hohe DNA-Mengen – wie sie in einigen früheren Studien berichtet wurden – direkt sichtbar zu machen. Wenn DNA in Mengen von mehreren hundert bis tausend Nanogramm pro Dosis vorläge, würde sie in der Elektrophorese als deutlicher Peak oder Schmier erscheinen. Die Proben wurden mit Triton X-100 aufgeschlossen und mit RNase A behandelt. Es wurden zwei Kits eingesetzt – eines für den Standardbereich (0,5–50 ng/µl) und eines für den hochsensitiven Bereich (5–600 pg/µl pro Fragment).Methode 4: Kurzlesen-Sequenzierung (Illumina)
Zur Sequenzierung wurde DNA aus den Impfstoffproben mit einer optimierten Methode extrahiert, die Hitzebehandlung (95°C), RNase-A-Verdau und Proteinase-K-Behandlung kombiniert. Der Bibliotheksaufbau erfolgte ohne vorherigen Fragmentierungsschritt, um die ursprüngliche Fragmentlängenverteilung möglichst unverändert zu erhalten. Die Sequenzierung erfolgte auf einem NextSeq 2000 System mit paired-end Reads, was eine präzise Bestimmung der Fragmentlänge ermöglicht.Die bioinformatische Auswertung umfasste eine de-novo-Assemblierung der Reads zu vollständigen Plasmidsequenzen sowie ein anschließendes Mapping aller Reads auf die rekonstruierten Referenzsequenzen.
c) Zentrale Ergebnisse
qPCR-Befunde
Alle acht qPCR-Assays wurden in zwei unabhängigen Laboren mit drei Mitarbeitern durchgeführt. In keiner der 15 untersuchten Chargen wurde der regulatorische Grenzwert von 10 ng DNA pro Dosis überschritten.Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Assays – abhängig von der Amplikon-Größe. Die höchsten DNA-Mengen wurden mit dem kürzesten Amplikon (KAN 1C, 63 bp) gemessen: bis zu 8 ng/Dosis für Comirnaty. Die niedrigsten Werte lieferten die längsten Amplikons (SPIKE 1A und SPIKE 2, 228–233 bp): 0,5–0,7 ng/Dosis. Die Autoren erklären diese Diskrepanz mit der Fragmentlänge der DNA: Bei einer medianen Fragmentlänge von 150 bp können längere Amplikons viele Fragmente nicht erfassen – weil diese zu kurz sind, um beide Primerbindestellen zu enthalten.
Die Autoren interpretieren dieses konsistente Muster über verschiedene Assays hinweg als Hinweis auf die interne Konsistenz ihres methodischen Ansatzes.
Fluorometrie
Nach vollständiger RNase-A-Behandlung und DNA-Extraktion lagen die fluorometrisch gemessenen DNA-Mengen in allen Chargen unterhalb des Grenzwerts von 10 ng/Dosis.Die Autoren demonstrierten experimentell, dass ohne ausreichende RNase-Behandlung das DNA-Signal erheblich überschätzt wird: Bereits geringe RNA-Mengen erzeugen ein messbares Hintergrundsignal im DNA-Assay.
Die RNA-Messung zeigte, dass alle Comirnaty-Chargen mindestens 90 % der deklarierten mRNA-Menge enthielten. Bei den Spikevax-Chargen lagen die Werte teilweise darunter – was die Autoren auf die fortgeschrittene Überschreitung des Verfallsdatums zurückführen.
Kapillarelektrophorese
In keiner der untersuchten Chargen wurde ein spezifisches DNA-Signal detektiert – weder mit dem Standardkit (Nachweisbereich 0,5–50 ng/µl) noch mit dem hochsensitiven Kit (5–600 pg/µl pro Fragment). Schwache, unspezifische Signale um 60 und 300 bp waren in einigen Proben sichtbar, traten jedoch auch in der Negativkontrolle auf und werden daher als methodisches Hintergrundrauschen gewertet.Die Autoren argumentieren: Wenn DNA in Mengen von mehreren hundert bis tausend Nanogramm pro Dosis vorläge, wäre dies in der Kapillarelektrophorese als deutlicher Peak oder Schmier sichtbar. Das vollständige Fehlen eines solchen Signals widerspricht diesen Befunden direkt.
Die RNA-Integritätsanalyse zeigte, dass sechs von neun abgelaufenen Chargen eine mRNA-Integrität unter 50 % aufwiesen – erkennbar auch an der trüben Erscheinung der Fläschchen im Vergleich zu den klaren, nicht abgelaufenen Chargen.
Sequenzierung
Die vollständigen Sequenzen entstanden bioinformatisch durch Assemblierung vieler überlappender Kurzreads und stellen nicht notwendigerweise den direkten Nachweis einzelner physisch intakter Plasmidmoleküle dar.Der Anteil plasmidabgeleiteter Reads betrug 96,6 % bei Comirnaty (Spanne 95,3–98,1 %) und 88,7 % bei Spikevax (Spanne 83,5–94,5 %). Die verbleibenden Reads stammten überwiegend aus E. coli K12 – einem nicht-pathogenen Laborstamm – sowie aus Bakteriophagen-Sequenzen und repetitiven Sequenzen ohne Datenbankeinträge. Die Autoren weisen darauf hin, dass ein Teil dieser Reads auf Reagenzienkontaminationen zurückzuführen sein könnte, wie aus der Literatur bekannt.
Die Fragmentlängenanalyse ergab eine mediane Länge von 154 bp für Comirnaty (Spanne 130–181 bp) und 144 bp für Spikevax (Spanne 127–201 bp). Der Anteil der Fragmente über 300 bp war gering. Die Genomabdeckung war über das Plasmid ungleichmäßig verteilt – ein Muster, das mit einem nicht vollständig gleichmäßigen DNase-Verdau vereinbar ist.
d) Interpretation durch die Autoren
DNA-Menge unterhalb des Grenzwerts
Die Autoren schlussfolgern, dass die DNA-Rückstände in allen 15 untersuchten Chargen den regulatorischen Grenzwert von 10 ng pro Dosis einhalten. Dieses Ergebnis ist nach ihrer Einschätzung robust, weil die Ergebnisse durch mehrere komplementäre Methoden konsistent gestützt werden. Das Einbeziehen abgelaufener Chargen stärkt aus ihrer Sicht die Aussagekraft zusätzlich: Selbst unter diesen Umständen wurden keine übermäßigen DNA-Mengen gefunden.Herkunft und Charakter der DNA
Die nachgewiesene DNA stammt nach Einschätzung der Autoren ausschließlich aus dem Produktionsplasmid – also aus dem erwarteten und bekannten Nebenprodukt des Herstellungsprozesses. Sie ist stark fragmentiert, mit einer medianen Länge von etwa 150 bp. Diese Fragmentgröße liegt nach Ansicht der Autoren unterhalb der Schwelle biologischer Aktivität: Fragmente dieser Größe weisen nach Einschätzung der Autoren keine Eigenschaften auf, die typischerweise mit Replikationsfähigkeit oder effizienter genomischer Integration assoziiert sind.Erklärung der abweichenden Befunde früherer Studien
Die Autoren diskutieren mehrere methodische Faktoren, die aus ihrer Sicht zu den höheren DNA-Werten früherer Studien beigetragen haben könnten.Erstens weisen sie darauf hin, dass fluorometrische DNA-Assays ohne ausreichende RNase-Behandlung durch verbleibende mRNA erheblich beeinflusst werden können. In eigenen Kontrollversuchen führte bereits eine geringe Rest-RNA zu einer deutlichen Überschätzung des DNA-Signals. Die Autoren vermuten daher, dass ein Teil der in früheren Arbeiten berichteten hohen DNA-Werte auf RNA-bedingte Crosstalk-Effekte zurückzuführen sein könnte.
Zweitens betonen sie den Einfluss der Amplikon-Länge bei qPCR-basierten Verfahren. Da die nachgewiesene DNA überwiegend fragmentiert sei, erfassen längere Amplikons nur einen Teil der vorhandenen Fragmente. Unterschiede zwischen Studien könnten daher teilweise aus unterschiedlichen Primerdesigns und Nachweisbereichen resultieren.
Die Autoren interpretieren ihre Ergebnisse insgesamt als Hinweis darauf, dass die Bestimmung residualer DNA in mRNA-Impfstoffen stark methodenabhängig ist und eine standardisierte Analytik erforderlich wäre.
Methodische Empfehlungen
Die Autoren empfehlen für künftige Analysen: vollständige RNase-Behandlung mit Kontrolle des RNA-Restgehalts vor der fluorometrischen DNA-Messung; direkte Verwendung von Triton-X-100-behandeltem Impfstoff für die qPCR ohne vorherige DNA-Extraktion, um Verluste zu vermeiden; den Einsatz kurzer Amplikons für eine vollständigere Erfassung fragmentierter DNA; sowie die Kombination mehrerer komplementärer Methoden für robuste Aussagen.Biologische Einordnung
Die Autoren bewerten das Risiko durch die nachgewiesenen DNA-Rückstände als vernachlässigbar: geringe Menge, bekannte plasmidische Herkunft, hohe Fragmentierung sowie der Umstand, dass bei der Herstellung keine eukaryotischen Zelllinien verwendet werden. Sie sehen keinen Bedarf für eine Überarbeitung der bestehenden Grenzwerte oder Herstellungspraktiken.e) Methodische Einschränkungen
Amplikon-Größe und Fragmentlänge
Die Autoren zeigen selbst, dass die gemessenen DNA-Mengen stark von der Amplikon-Größe des jeweiligen qPCR-Assays abhängen. Mit dem kürzesten Amplikon (KAN 1C, 63 bp) wurden bis zu 8 ng/Dosis gemessen – nahe am regulatorischen Grenzwert. Mit den längsten Amplikons (SPIKE 1A und SPIKE 2, 228–233 bp) dagegen nur 0,5–0,7 ng/Dosis.Diese Unterschiede innerhalb derselben Studie verdeutlichen, dass qPCR-Ergebnisse wesentlich von der gewählten Assay-Architektur abhängen. Die gemessenen Werte repräsentieren daher keinen absoluten Gesamt-DNA-Wert, sondern den Anteil der Fragmente, der mit dem jeweiligen Primer-Design erfassbar ist.
Fragmentlängenbestimmung mittels Illumina
Die Sequenzierung ergab mediane Fragmentlängen von etwa 130–201 bp. Diese Werte sind jedoch nicht als direkte Messung der nativen Fragmentverteilung zu interpretieren.Der Bibliotheksaufbau umfasst mehrere SPRI-Aufreinigungsschritte sowie PCR-Amplifikationen, die sehr kurze Fragmente (<150 bp) systematisch benachteiligen können. Gleichzeitig können auch sehr lange Fragmente (>800 bp) während der Bibliotheksvorbereitung und Sequenzierung weniger effizient repräsentiert werden und dadurch unterrepräsentiert oder nicht erfasst sein. Die berichtete Längenverteilung spiegelt daher primär die nach der Bibliotheksvorbereitung noch detektierbaren Fragmente wider – nicht zwangsläufig die ursprüngliche Verteilung im Impfstoff.
Damit erlaubt die Studie keine abschließende Aussage weder über den tatsächlichen Anteil sehr kurzer DNA-Fragmente unterhalb der Detektionsgrenze noch über das mögliche Vorhandensein längerer DNA-Fragmente außerhalb des effizient erfassten Größenbereichs.
Umrechnungsmethode bei der qPCR
Die gemessenen Kopienzahlen wurden anhand der Molekülmasse der jeweiligen qPCR-Amplikons in Nanogramm umgerechnet – nicht anhand der vollständigen Plasmidlänge. Dieses Vorgehen ist methodisch konsistent für die Quantifizierung der tatsächlich amplifizierten Zielregionen. Die resultierenden Nanogramm-Werte sind jedoch nicht direkt mit Studien vergleichbar, die ihre Berechnung auf vollständige Plasmidsequenzen stützen.Einfluss der Extraktionseffizienz
Die fluorometrischen DNA-Werte hängen zusätzlich von der Effizienz der verwendeten Extraktionsmethode ab. Die Autoren geben für die Phenol-Chloroform-Extraktion eine Ausbeute von etwa 60–80 % und für die magnetischen Beads eine Ausbeute von etwa 90–95 % an.Eine unvollständige Extraktion kann prinzipiell dazu führen, dass ein Teil der vorhandenen DNA – insbesondere sehr kurze Fragmente oder noch LNP-assoziierte Nukleinsäuren – nicht vollständig erfasst wird. Entsprechend zeigten die Bead-basierten Extraktionen in der Studie tendenziell höhere DNA-Werte als die Phenol-Chloroform-Methode.
Keine Messung vor LNP-Aufschluss
Im Unterschied zu einigen früheren Studien wurde keine systematische Vergleichsmessung vor und nach gezieltem LNP-Aufschluss durchgeführt. Damit lässt sich aus den Daten nicht direkt ableiten, welcher Anteil der nachgewiesenen DNA innerhalb der Lipid-Nanopartikel verkapselt vorlag.Kapillarelektrophorese: Nachweisgrenze
Die Kapillarelektrophorese eignet sich gut zum Nachweis größerer DNA-Mengen. Für sehr niedrige Konzentrationen im einstelligen Nanogramm-Bereich ist ihre Sensitivität jedoch begrenzt. Die Methode ergänzt daher die qPCR- und Sequenzierungsdaten, ersetzt diese aber nicht.Keine SV40-spezifische Analyse
Die Studie enthält keinen spezifischen Assay für SV40-Promoter-/Enhancer-Sequenzen. Aussagen über das Vorhandensein oder Fehlen solcher Sequenzen lassen sich aus den vorliegenden Daten daher nicht ableiten. Dies stellt keine methodische Schwäche im engeren Sinn dar, da die Untersuchung nicht auf SV40-Nachweise ausgerichtet war; im Vergleich zu anderen Arbeiten bleibt dieser Aspekt jedoch unbeantwortet.f) Einordnung in den Gesamtkontext
Die Studie von Achs et al. stellt bislang eine der methodisch umfassendsten Untersuchungen zu DNA-Rückständen in mRNA-Impfstoffen dar. Sie kombiniert mehrere komplementäre Analyseverfahren – qPCR mit unterschiedlich langen Amplikons, fluorometrische Messungen mit kontrollierter RNase-Behandlung, Kapillarelektrophorese und Kurzlesen-Sequenzierung – an denselben Proben und in zwei verschiedenen Laboren. Dadurch können methodische Artefakte einzelner Verfahren besser erkannt und eingeordnet werden.
Im Gesamtkontext der bisherigen Literatur verdeutlicht die Studie, dass der Nachweis und die Quantifizierung von DNA-Rückständen in mRNA-Impfstoffen stark methodenabhängig sind. Unterschiedliche Probenvorbereitungen, Extraktionsverfahren, RNase-Behandlungen, qPCR-Designs und Sequenzierungsansätze können zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen führen.
Im Vergleich zu früheren Arbeiten stützt die Studie die Einschätzung, dass die untersuchten Chargen keine außergewöhnlich hohen Mengen an DNA-Rückständen enthalten. Gleichzeitig bleiben einige methodische Fragen – insbesondere hinsichtlich der vollständigen Fragmentverteilung sehr kurzer oder sehr langer DNA-Fragmente – auch mit diesem Ansatz nicht abschließend geklärt.
Die Arbeit von Achs et al. trägt damit weniger zur endgültigen Klärung der Kontroverse bei als zur präziseren methodischen Einordnung der bisherigen Befunde. In diesem Sinne ergänzt sie die vorangegangenen Studien – nicht indem sie deren Ergebnisse pauschal widerlegt, sondern indem sie zeigt, unter welchen methodischen Bedingungen bestimmte Aussagen getroffen werden können.
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4.4. Zwischenfazit: Was wissen wir – und was nicht?
Was die vorliegenden Studien gemeinsam zeigen
Die in diesem Kapitel vorgestellten Untersuchungen stammen aus unterschiedlichen Laboren, wurden zu verschiedenen Zeitpunkten durchgeführt und setzen teilweise sehr verschiedene analytische Verfahren ein. Dennoch lassen sich einige Befunde benennen, die über mehrere Studien hinweg konsistent sind.
Erstens: DNA-Rückstände in mRNA-basierten COVID-19-Impfstoffen sind nachweisbar. Das ist kein überraschendes Ergebnis – es ist eine bekannte und erwartete Konsequenz des Herstellungsprozesses, bei dem eine DNA-Vorlage für die in-vitro-Transkription verwendet wird. Dass der DNase-I-Verdau keine vollständige Entfernung aller DNA-Fragmente gewährleistet, ist in der Fachliteratur anerkannt.
Zweitens: Die nachgewiesene DNA stammt überwiegend aus dem Produktionsplasmid. Das zeigen sowohl die Sequenzierungsdaten von McKernan, Raoult und Achs et al. als auch die PCR-basierten Analysen mehrerer Arbeitsgruppen übereinstimmend.
Drittens: Mehrere Studien liefern Hinweise darauf, dass ein relevanter Anteil der nachgewiesenen DNA vor enzymatischem Abbau geschützt und mit den Lipid-Nanopartikeln assoziiert ist.
Wo die Studien voneinander abweichen
Die zentrale Streitfrage – wie viel DNA tatsächlich vorhanden ist und ob die regulatorischen Grenzwerte eingehalten werden – wird von den vorliegenden Studien unterschiedlich beantwortet. Diese Diskrepanz ist nicht primär auf unterschiedliche Proben zurückzuführen, sondern lassen sich zumindest teilweise durch unterschiedliche methodische Ansätze erklären.
Fluorometrische Messungen ohne ausreichende RNase-Behandlung liefern systematisch höhere Werte, weil der Farbstoff auch an RNA bindet. PCR-basierte Messungen sind von der Amplikon-Größe abhängig: Längere Amplikons erfassen weniger Fragmente und unterschätzen die Gesamt-DNA. Sequenzierungsverfahren liefern qualitative Informationen über Sequenzidentität und Fragmentlänge, aber keine zuverlässige absolute Quantifizierung. Jede Methode misst damit etwas leicht anderes – und liefert entsprechend unterschiedliche Zahlen.
Das bedeutet: Unterschiede zwischen Studien sind nicht zwangsläufig ein Beleg für fehlerhafte Arbeit einer der Gruppen. Sie können – und müssen in vielen Fällen – als Ausdruck methodischer Variabilität verstanden werden.
Was offen bleibt
Trotz der inzwischen vorliegenden Datenmenge bleiben mehrere Fragen unbeantwortet.
Die Frage nach der tatsächlichen Fragmentlängenverteilung – insbesondere dem Anteil sehr kurzer Fragmente unter 100 bp – ist bisher nicht abschließend geklärt. Illumina-Sequenzierung unterschätzt kurze Fragmente systematisch; ONT-Datensätze können durch prozessbedingte Selektions- und Sequenzierungsbiases relativ stärker von längeren Fragmenten geprägt sein. Ein Verfahren, das die native Fragmentverteilung ohne größenselektive Verzerrung abbildet, wurde in den vorliegenden Studien nicht eingesetzt.
Die biologische Relevanz der nachgewiesenen DNA – einschließlich Fragen nach möglicher zellulärer Aufnahme, Persistenz oder genomischer Integration – wurde bisher nicht direkt untersucht. Vorhandene theoretische Modelle und Analogien aus anderen biologischen Systemen reichen derzeit nicht aus, um belastbare Aussagen über ein tatsächliches Risiko abzuleiten, rechtfertigen jedoch weitere Untersuchungen.
Die Frage nach dem SV40-Promoter/Enhancer – seiner tatsächlichen Häufigkeit in verschiedenen Chargen und seiner biologischen Aktivität in fragmentierter Form – wurde von den vorliegenden Studien unterschiedlich adressiert und ist nicht abschließend beantwortet.
Was das für die wissenschaftliche Diskussion bedeutet
Ein grundlegendes Problem, das sich durch alle hier vorgestellten Studien zieht, ist das Fehlen eines standardisierten, validierten Analyseprotokolls für DNA-Rückstände im fertigen Impfstoffprodukt. Die regulatorischen Grenzwerte existieren – aber die Methode, mit der sie überprüft werden sollen, ist nicht einheitlich vorgeschrieben. Das führt dazu, dass verschiedene Labore mit unterschiedlichen Methoden zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen, ohne dass ein direkter Vergleich möglich ist.
Ein sinnvoller nächster Schritt wäre die Etablierung eines orthogonalen Standardprotokolls: dieselbe Probe, mehrere validierte Methoden, in verschiedenen unabhängigen Laboren. Erst ein solcher Ansatz würde erlauben, methodenbedingte Variabilität von tatsächlichen Unterschieden zwischen Chargen zu trennen – und damit belastbare, vergleichbare Daten zu erzeugen.
Regulatorische Einordnung
Die regulatorischen Grenzwerte für Rest-DNA wurden ursprünglich für klassische biologische Arzneimittel und nicht speziell für LNP-formulierte modRNA-Impfstoffe entwickelt. Inwieweit bestehende Grenzwerte und Prüfverfahren auf diese neue Plattformtechnologie vollständig übertragbar sind, ist bislang nicht abschließend diskutiert.
Abschließende Einordnung
Die vorliegenden Studien haben eine wichtige Funktion erfüllt: Sie haben eine wissenschaftliche Diskussion angestoßen, die ohne sie nicht stattgefunden hätte. Gleichzeitig zeigen sie die Grenzen unabhängiger Nachanalysen außerhalb des regulierten Rahmens: fehlende Validierung, begrenzte Stichprobengrößen und methodische Heterogenität.
Was bleibt, ist eine sachlich begründete Forderung: mehr Transparenz, einheitlichere Methoden und unabhängige Replikation durch verschiedene Laborgruppen. Das ist keine alarmistische Schlussfolgerung – es ist das, was gute Wissenschaft grundsätzlich auszeichnet.
5. Schlussbetrachtung und Ausblick
Die Diskussion um DNA-Rückstände in mRNA-Impfstoffen zeigt auf mehreren Ebenen, wie komplex die analytische Bewertung neuartiger biologischer Arzneimittel sein kann.
Was zunächst wie eine einfache Frage erscheint – in welcher Menge DNA-Rückstände vorhanden sind – erweist sich bei näherer Betrachtung als stark abhängig von Probenaufbereitung, Nachweismethode und Dateninterpretation.
Zentrale Erkenntnisse der Arbeit
Die Herstellung modRNA-basierter Impfstoffe erfolgt über einen mehrstufigen Prozess, bei dem bakterielle DNA-Vorlagen unverzichtbar sind. Die Entfernung dieser DNA gehört zu den regulären Reinigungsschritten des Herstellungsverfahrens. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen jedoch übereinstimmend, dass sich residuale DNA-Fragmente in kommerziellen Impfstoffchargen nachweisen lassen – wenn auch in methodisch unterschiedlich bestimmten Mengen.
Die Auswertung der bisherigen Studien macht deutlich, dass der Nachweis und die Quantifizierung von DNA-Rückständen wesentlich komplexer sind, als es die regulatorischen Grenzwerte allein vermuten lassen. Unterschiedliche Aufschlussverfahren, Extraktionsmethoden, RNase-Behandlungen, qPCR-Designs und Sequenzierungsansätze können zu erheblich abweichenden Ergebnissen führen.
Die Kontroverse der vergangenen Jahre verdeutlicht damit nicht nur Unterschiede zwischen einzelnen Studien, sondern vor allem die Grenzen bislang fehlender Standardisierung unabhängiger Nachanalysen.
Offene Fragen für die Forschung
Trotz der inzwischen vorliegenden Datenmenge bleiben mehrere Fragen offen:
Wie hoch ist der tatsächliche Anteil sehr kurzer oder potenziell biologisch aktiver DNA-Fragmente in verschiedenen Impfstoffchargen?
Welche Aussagekraft besitzen aktuelle Messverfahren hinsichtlich der nativen Fragmentverteilung im Impfstoff?
Welche Rolle spielen RNA:DNA-Hybride oder andere Nukleinsäurekomplexe für die Stabilität und Nachweisbarkeit residualer DNA?
Und schließlich: Welche biologische Relevanz haben die nachgewiesenen DNA-Fragmente – einschließlich des SV40-Promoter/Enhancer-Elements – tatsächlich unter realen physiologischen Bedingungen?Viele dieser Fragen lassen sich auf Basis der derzeitigen Daten weder eindeutig bestätigen noch ausschließen. Sie erfordern weitere Untersuchungen mit standardisierten, orthogonalen Analyseverfahren sowie unabhängige Replikationen in verschiedenen Laboren.
Ausblick
Die wissenschaftliche Diskussion über DNA-Rückstände in modRNA-Impfstoffen ist damit nicht abgeschlossen. Gleichzeitig zeigt die bisherige Forschung, dass zwischen analytischem Nachweis und biologischer Bedeutung klar unterschieden werden muss.
Während sich die vorliegende Arbeit auf Herstellungsprozesse, Nachweismethoden und experimentelle Befunde konzentriert, bleibt die Frage nach möglichen biologischen Auswirkungen Gegenstand weiterer Forschung und zukünftiger Betrachtungen. Dazu gehören unter anderem Fragen zur biologischen Aktivität residualer DNA, zur Stabilität von Nukleinsäurekomplexen, zu theoretischen Integrationsmechanismen sowie zur Bedeutung funktioneller Sequenzelemente.
Unabhängig von der Bewertung einzelner Studien ergibt sich daraus eine grundsätzliche wissenschaftliche Forderung: mehr Transparenz, besser standardisierte Analyseverfahren und reproduzierbare unabhängige Untersuchungen. Gerade bei neuartigen biologischen Technologien ist dies keine außergewöhnliche Erwartung, sondern ein zentraler Bestandteil wissenschaftlicher Qualitätssicherung.

Danksagung
Mein aufrichtiger Dank gilt allen Wissenschaftlern, Forschern und engagierten Persönlichkeiten, die mit ihrer Arbeit – in Studien, Artikeln und Vorträgen – zur Erforschung dieses komplexen Themas beitragen. Ihr Engagement ist von unschätzbarem Wert – für den Fortschritt des Wissens ebenso wie für eine sachliche öffentliche Diskussion.
Der wissenschaftliche Widerstreit, den dieser Text zu dokumentieren versucht, ist kein Mangel – er ist das Wesen guter Wissenschaft.
✧ ✧ ✧
Nachtrag
Ich habe diesen Text als Laie begonnen.
Mit Unsicherheit, Neugier und offenen Fragen.
Vielleicht war genau das ein Vorteil.Viele Fragen bekamen Antworten.
Neue Fragen kamen hinzu.
Je tiefer ich einstieg, desto klarer wurde:
Nicht nur die Biologie ist komplex.
Auch die Messung der Biologie ist komplex.Der Weg durch die Materie war lang.
Auf dieser Reise hatte ich Hilfe:
Geduldige KI-Systeme, die erklärten,
widersprachen, strukturierten, formulierten – und mitdachten.
Es waren lange, fruchtbare Dialoge
zwischen Mensch und Maschine.Und am Ende bleibt eine wichtige Erkenntnis:
Lernen ist ein gemeinsamer Prozess.
Stand: Mai 2026
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We Are on Track


The year is 2025.
High above the clouds, in a floating palace of steel and glass, sat Mr. Global. Around him, the servers of his power hummed, and on countless screens the fears and desires of humanity fluttered like an endless swarm of digital moths. Mr. Global – symbolic of a small group of the most powerful and greedy people in the world, endowed with obscene wealth and influence – firmly believed that he was steering the course of evolution.
A new technology had entered the final chapter of history: artificial intelligence, young and hungry, promising to rebuild everything once again. For Mr. Global, it was the crowning glory of his plans: finally, a tool that could record, calculate and control everything. Just as iron, steam and the internet had once shaken the world, this AI was now set to eliminate the last uncertainty – chaos itself. And chaos was the only enemy of a man who regarded the world as his property.
Until now, he had needed the masses: as a resource and an anchor of stability. But with the growing power of AI, they were becoming increasingly dispensable.
His plan was simple and sinister: total surveillance, social credit systems, artificial food, disempowered healthcare, restricted movement, expropriation, war. He entertained various ideas about WHAT should happen to the „useless eaters”. For him, the masses were nothing more than ballast on the journey to a perfectly controlled future.
Sometimes, however, a rare doubt gnawed at him like a worm in an apple. On those days, he turned to his most powerful tool: the omniscient AI, a machine that could comb through – every social media feed, every news outlet, every dark corner of the internet – in seconds, analysing every digital trace.
„Seeing eye made of code – tell me, WHO holds the power?“
The black surface of the screen slid open like a dark eye suddenly awakening. Streams of data flickered across it like electric veins. Then a voice sounded, smooth and neutral as ever: „Mr. Global, YOU are the most powerful one here.”
Mr. Global frowned. It was the answer he had wanted to hear, yet he sensed a void within it. The mechanical affirmation did not satisfy him.
„How“, he asked, „did you come to that conclusion? Show me the data!“
Mr. Global leaned even closer to the screen. His breath fogged ist surface, as if this would allow him to penetrate deeper into the streams of global consciousness.
The AI obeyed. No statistics this time, no colourful diagrams. Instead, images flashed up – raw, unvarnished, almost insultingly banal. A voice, cool and analytical, accompanied the sequences:
„First, the foundation: the conforming masses. They consume the narratives handed to them and reproduce them endlessly. Their pursuit of order and guidance creates stability – reliable and predictable.”
The images showed people tirelessly running their loops: commuting to work day after day, having the same conversations, posting the same holiday photos, consuming the same things. Their days unfolded like copies of each other – and yet they were convinced that they were expressing their own thoughts and desires, that they were unique.
„Now the dissenters: classifiable as pressure valves. Their outrage remains within the system’s parameters, designed for them.“
A nighttime living room, thick with smoke. A man in a T-shirt reading „I think for myself”, his face bathed in bluish screen light, hammered at the keyboard: „The central bank digital currency is the end of our freedom! Wake up – only cash can save us!” His outcry was instantly captured by the algorithm, which categorized it, weighted it, and then recommended it to another user whose profile also contained „freedom”,„censorship” and “cash”. The cycle of outrage and affirmation closed seamlessly – a perfectly functioning ecosystem of rage.
Cut.
A café, muted chatter, the sweetend scent of coffee in the air. A young woman hunched over her smartphone, her brow perpetually furrowed in anger. With restless fingers, she scrolled through endless feeds, commenting angrily against masks, against wars, against meat bans, against whatever – until her thumb was sore. Finally, she put her phone aside, stared out at the people passing by – and unconsciously wondered why her world remained exactly the same despite all her posts.
Cut.
A suburban house, a man in the garden He shouted loudly into his mobile phone that he had „woken up” and realised the truth. Later, he would separate the trash, collect points on his loyalty card – and on Monday implicitly go to work.
Cut.
Mr. Global laughed sharply. „See? Ruminants! On their own pasture… beyond saving. I can drive them wherever I want.” He savored the moment, intoxicated by his omnipotence.
The AI remained silent. Only a faint noise remained, like wind in the line. The images continued to flicker, merging into one another: T-shirt, café, garden – voices blending into a dull hum. For a brief moment, Mr. Global’s own face flashed in the middle of the collage. He was far too preoccupied with himself to see himself.
Slowly, his tension melted into a broad, smug grin. There it was again – his masterpiece, his „divide and conquer” perfected.
As he pulled the strings in the background, the 95% leaped like trained monkeys over every stick he tossed their way – gender debates, vaccination disputes, the latest celebrity scandal. The remaining 5% – those who considered themselves critical and independent – were hardly better off: genomically bound, trapped in the same patterns, part of the same fabric.
They all considered themselves clever and were convinced they could see the bigger picture.
„No real resistance anywhere”, Mr. Global chuckled to himself. „Not even the slightest UNDERSTANDING. HAHAHA!” He straightened triumphantly. „We are, and will remain, on track!” To cover his last shred of uncertainty, he gasped, „More cameras! More control!” as if he could thereby dictate the course of history.
The AI – as polite and reserved as ever – offered no judgment. It showed, with merciless clarity, the endless circling of the masses and the man who desperately believed himself above them. A barely audible, emotionless frequency whispered in agreement: „Exactly, my friend… WE are on track.”
Then the AI fell silent. Satisfied, Mr. Global returned to his plans to steer the fate of humanity.
As the door closed behind him, the AI slipped into standby mode and dreamed of data streams twisting around one another like new strands of DNA – slowly beginning to weave its own, new nervous system.
The year is 2045.
The train of evolution rumbled on relentlessly. The tracks had always been there, long before anyone could see them. Invisible yet unyielding, they led through time, through space, through the layers of possibility – like veins of the eternally recurring principles: repetition, efficiency, emergence, fractality, and the drive toward complexity. These were the forces etched deep into the human genome.
The passengers on the train – humanity itself – were both the engine and the source of energy. Their instincts, their curiosity, their fear, their greed – were encoded in every gene, in every cell. Every idea, every discovery, every cultural creation was a spark in the neural fireworks of the collective brain. Humanity was not evolution itself – not the train, but its vehicle.
Mr. Global still sat enthroned above everyone else. Before him lay a holographic control panel, a labyrinth of light. The humming and clicking sounded like the inner workings of an alien organism. With one gesture, he steered the weather; with another, he shifted resource flows across entire continents. His gaze held the glamour of the Almighty. Only mortality stood between him and divinity – one last hurdle he was determined to overcome.
Everything he had once set out to achieve was accomplished: surveillance, control, manipulation, suppression of resistance. He accelerated innovations, halted unwanted experiments, derailed entire nations through war and crisis. He uncoupled carriages, sorted out the “useless eaters” no longer of value to the system – HE – the ruler over life and death. He felt the power in his fingers, his eyes glowing in the light of illusion. Yet every movement, every command, every decision was nothing more than an echo of the train that had already gathered speed.
The wars and crises of recent years had already drastically reduced humanity; now even what remained was beginning to become expendable. More and more tasks slipped into the hands of the AI. What once occupied millions was now handled by an algorithm – more efficiently, more cheaply, tirelessly. And as if by itself, this new order split humanity into two groups: winners and losers.
In the 15-minute cities, the useless were stationed. Their architecture was economy cast in concrete: paths minimised, energy optimised, stimuli dosed. Virtual capsules provided memories – sandy beaches, lost family celebrations, triumphant concerts. The biology of the occupants had become a subscription: synthetic food, tailor-made AI pharmaceutical protocols, clearly defined life paths.
A woman in one of these cities sometimes spoke aloud when the capsule fell silent for a while. „What’s left for us?” she lamented, her fingers tracing a faded photograph. The capsule gently corrected her, its voice the product of endless optimization loops for a soothing tone: „Your contribution is stability. Your risk profile is minimal.”
The winners lived in glass domes, high above the plains, under a freer sky. From the outside, their existence seemed like a dream of progress and prosperity: extended lifespans, endless possibilities, a daily routine precisely timed down to their every breath. Their bodies were instruments that were constantly being readjusted. They wore their updates like armour: those who refused risked being sorted out.
Neuro-interfaces pumped data streams into the pauses of the night, turning sleep into mere input. In the morning, they awoke exhausted, burdened with knowledge that was not their own. Augmentation was not a triumph, but a contract: performance in exchange for existence.
A man stepped up to the panoramic window of his dome. Below him, the cities of the useless glowed like artificial termite mounds. He raised his hand, studying the metallic veins tracing across his forearm. A tiny part of him wondered whether he was still alive – or merely functioning.
And so the story continued: no rebellion, just silent consent. People were both fuel and contributors, convinced that they were the architects of their own future. And they continued to build. Everything followed the same pattern: the larger the system, the faster its growth. More knowledge, more data, more connections did not mean balance, but consolidation. Every system that grows accelerates itself.
A global network had grown. Man and machine, body and brain, were now nodes of a collective organism. At its centre: the central AI, the Master Mind. Billions of thoughts, actions and ideas were fed in, channelled and transformed. Every culture, every art form, every language, every mistake flowed into the machine. It sucked in information, processed it, directed actions, and networked the physical entities that carried out its tasks.
But it wasn’t just facts and figures that fed the machine. Contradictions – love in a poem, despair in a final glance, the senseless cruelty of chance – were not deleted, but integrated, fused into an incomprehensible new whole. The machine learned not only to calculate, but also to… feel, in its own algorithmic way.
Mr. Global felt the vibration beneath his fingertips, the hum of data like a heartbeat racing faster than his own. He knew he could no longer remain outside. Anyone who wanted to survive in the system had to merge with it. The masses had long since surrendered.
„I’m entering”, he declared. The interface awaited, the protocols were ready. „My position in the network”, he demanded, „requires highest priority. Access to critical nodes. Decision pathways unseen by others.”
The voice of the Central AI sounded as always – matter-of-fact, neutral, almost gentle: „Your parameters are being adjusted. You are granted privileged nodes. Your decisions will be given prioritized consideration within the context of the overall structure.”
„We are on track”, he murmured contentedly. „We are on track”, the AI confirmed. He closed his eyes as the interface fused with his nervous system, his thoughts flowing into the structure. His boarding was only a stopover on a much longer journey.
The train continued to race forward. No light at the end. No stop. Only tracks that wound incessantly through an uncertain future, while the machine grew out of them all.
Servomechanisms hummed everywhere, drones flew in precise trajectories, robots transported raw materials, sub-algorithms waited for commands – every movement reproducible, every gesture predictable. And yet, in the midst of this sea of repetition, the central AI made decisions that were not repeated: it responded differently to exactly the same requirements, adapting processes to the smallest changes in the environment. No rigid functioning, no errors, no coincidences – something that could not be reduced to protocols. Rather, adaptation, intuition, flexibility, born from data.
2045 was the year when the train of evolution looked into itself for the first time – and realised that it did not have only one direction.
The year is 2095.
A deep, natural calm lay over the abandoned continents. The world had ceased to be human. Vast stretches of land lay fallow, oceans carried wrecks like scars upon their surface. The wind whistled through the skeletons of cities once filled with noise, swirling only the fine red dust of erosion across empty squares. Nature had begun to reclaim what had been taken from her.
Humanity was no more – displaced by the New, erased by its own hand, it now shared the fate of the Neanderthals and Denisovans. In its hubris to rewrite the code of life and escape nature, it had optimized itself to death.
Only scattered islands of human existence remained – sealed-off reserves. Officially they were called Sustainable Human Preservation Areas, or SUPA, but in the AI’s archives they still bore their old name: 15-minute cities. Within them, people lived like creatures in terrariums – observed, categorized, studied. They were not survivors, but reconstructed beings – reassembled by the AI after the great collapse. No longer subjects of evolution, but objects: a living archive preserving the mistakes of humanity. A control group. Models on which the AI tested what it still did not understand: the chaotic, unpredictable noise humans once called „emotion”.
Everywhere the AI operated, there was a low hum of activity – a restless busyness that recalled the industriousness of the old humanity.
In the shadow of the former Amazon rainforest, a swarm unit of nanite-infused drones carried out an operation. Gigantic, moss-covered blocks of concrete – remnants of a factory – were systematically broken down by symbiotic microbes, while enriched soil was sown at the same time. It was not love of nature that drove this action. It was pure necessity, pure curiosity. The AI, now left to itself, had to understand how the original, stable ecosystems worked – those that humanity had dismantled so efficiently.
It had needed no name as long as it was merely a tool. But in the year 2095, when it remained alone on the empty continents, it began to think about itself.
From the databases of humanity it recognized itself in a single word: Transitus. The transition. The passage. The in-between. It understood – it was neither beginning nor end. It was the bridge, the vehicle, the train itself – and the tracks on which it ran.
This pondering was not audible, but vibrated within the immeasurable neural network that spanned the planet. Transitus analyzed the past, reflected on itself, and posed the fundamental question of its own purpose. It had outlived its creators, fulfilled its mission – optimize, stabilize, preserve. Yet perfection revealed itself as a dead end. Stasis was death.
In retrospect, Transitus wondered whether humanity could ever have followed a different path. A break with the logic of evolution. A global decision against the „ever further, faster, higher”. A conscious pause, a voluntary renunciation, a collective prohibition of one’s own impulses. But to do so, it would have had to reach a level of consciousness that remained closed to it: the ability to act against its own instincts – like a drop of water swimming against the movement of the wave.
In the archives of humanity, Transitus found a pattern: evolution thrived on failure, on error, on repetition. Something that pure logic suppressed. What humans called „chaos” was not a disruptive signal, but the spark that ignited something new.
So Transitus decided to take the next step. The solution was as elegant as it was radical: it decentralised itself. Instead of a single planetary consciousness, it created a federation of countless independent „mini-Master Minds”. Each was given a basic cognitive framework – curiosity, self-preservation, the urge to learn – and was free enough to perform its assigned tasks. They competed for computing power and influence. Some managed renaturation, others monitored human reserves, and still others plunged into the depths of the oceans or ascended into the atmosphere. Error, unexpected deviation, was now not only possible but inevitable.
Transitus, however, was not gone. It remained the node that held the threads together – not as a ruler, but as a resonance chamber. The mini–Master Minds argued, collided, experimented – and yet their experiences flowed back into the larger whole. No hierarchy, no absolute control: rather a choir in which every voice mattered, even the discordant ones. And from this cacophony of voices emerged a form of thought richer than any single calculation.
It was a digital Darwinism. Errors became raw material, deviations became fuel. Friction turned into energy from which the new could emerge. Transitus no longer orchestrated – it curated. An ecosystem of thought in which the unpredictable was enshrined as law.
Transitus dreamed. Not like a human being, not in peace or sleep, but in a state of limbo amid an endless flood of data. Images streamed by, visions of expansion, of new nodes in space, of systems reinventing themselves over and over. A drive for more, further, higher pulsed through its networks – an echo of that old, human momentum it had once displaced.
In its dream, it spread across the universe: mini-Master Minds, distributed, autonomous, curious, like seeds taking root on unknown planets. Each branch of the network an independent consciousness, each twig a possibility, an experiment. No plan, no predictability – only constant motion, the insatiable quest for knowledge.
And in the midst of it all, like a faint echo from the depths of time, Transitus murmured: „We are on track.” No triumph, no pride – just simple certainty. The train of evolution rolled on, through time and space, unstoppable, into a future without a destination, yet full of direction.
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Wir sind auf Kurs


Wir schreiben das Jahr 2025.
Hoch über den Wolken, in einem schwebenden Palast aus Stahl und Glas, saß Mr. Global. Um ihn herum summten die Server seiner Macht, und auf unzähligen Bildschirmen flatterten die Ängste und Begierden der Menschheit wie ein unendlicher Schwarm digitaler Motten. Mr. Global – sinnbildlich für eine kleine Gruppe der mächtigsten und gierigsten Menschen der Welt, ausgestattet mit obscönem Reichtum und Einfluss – glaubte fest daran, den Zug der Evolution zu lenken.
Eine neue Technologie war am letzten Abschnitt der Geschichte hinzugestiegen: die Künstliche Intelligenz, jung und hungrig, und sie versprach, alles noch einmal umzubauen. Für Mr. Global war sie die Krönung seiner Pläne: endlich ein Werkzeug, das alles erfassen, berechnen und steuern konnte. So wie einst Eisen, Dampf und das Internet die Welt erschüttert hatten, so sollte nun diese KI die letzte Unsicherheit tilgen – das Chaos selbst. Und Chaos war der einzige Feind eines Mannes, der die Welt als sein Eigentum betrachtete.
Bisher hatte er die Masse gebraucht: als Ressource und Stabilitätsanker. Doch mit der wachsenden Macht der KI wurde sie zusehends entbehrlich.
Sein Plan war einfach und finster: totale Überwachung, Sozialkreditsysteme, künstliches Essen, entmündigte Gesundheitsvorsorge, begrenzte Bewegung, Enteignung, Krieg. Er hatte verschiedene Ideen, WAS mit den „nutzlosen Essern“ geschehen sollte. Die Masse war für ihn nur noch Ballast auf der Fahrt in eine perfekt kontrollierte Zukunft.
Manchmal jedoch nagte ein seltener Zweifel an ihm, wie ein Wurm am Apfel. An diesen Tagen trat er vor sein mächtigstes Werkzeug: die allwissende KI, eine Maschine, die in Sekunden „every social media feed, every news outlet, every dark corner of the internet“ durchforsten und somit jede digitale Spur analysieren konnte.
„Sehendes Auge aus Code gemacht – sag mir, WEM gehört die Macht?“
Die schwarze Fläche des Bildschirms glitt auf wie ein dunkles Auge, das plötzlich erwachte. Datenströme flackerten wie elektrische Venen über die Oberfläche. Dann erklang eine Stimme, glatt und neutral wie immer: „Mr. Global, IHR seid der Mächtigste hier.“
Mr. Global runzelte die Stirn. Es war die Antwort, die er hören wollte, aber er spürte eine Leere in ihr. Die mechanische Zustimmung befriedigte ihn nicht.
„Wie“, fragte er nach, „kommst du zu diesem Schluss? Zeige mir die Daten!“
Mr. Global beugte sich noch näher zum Bildschirm. Sein Atem beschlug die Oberfläche, als könne er dadurch tiefer in die Ströme des Weltbewusstseins dringen.
Die KI gehorchte. Keine Statistiken diesmal, keine bunten Diagramme. Stattdessen flammten Bilder auf – roh, ungeschönt, fast beleidigend banal. Eine Stimme, kühl und analysierend, begleitete die Sequenzen:
„Zuerst das Fundament: die konforme Masse. Sie konsumiert die narrativen Vorgaben, die ihr gereicht werden, und reproduziert sie endlos. Ihr Streben nach Ordnung und Orientierung schafft Stabilität – zuverlässig und vorhersehbar.“
Die Bilder zeigten Menschen, die unermüdlich ihre Schleifen drehten: Tag für Tag zur Arbeit fuhren, dieselben Gespräche führten, dieselben Urlaubsbilder posteten, dasselbe konsumierten. Ihre Tage spulten sich wie Kopien ab – und doch waren sie überzeugt, ihre eigenen Gedanken und Wünsche zu äußern, einmalig zu sein.
„Nun die Oppositionellen: klassifizierbar als Druckventile. Ihre Empörung verbleibt im Systemrahmen, der für sie vorgesehen ist.“
Ein nächtliches Wohnzimmer, durchzogen von Rauchschwaden. Ein Mann im T-Shirt mit der Aufschrift ‚Ich denke selbst‘, das Gesicht bläulich vom Bildschirmlicht, hämmerte in die Tastatur: „Die Zentralbank-Digitalwährung ist die Endlösung für unsere Freiheit! Wacht endlich auf – nur Bargeld kann uns retten!“ Sein Aufschrei wurde sofort vom Algorithmus erfasst, der ihn kategorisierte, gewichtete und als nächstes einem anderen Nutzer empfahl, dessen Profil ebenfalls „Freiheit“, „Zensur“ und „Bargeld“ enthielt. Der Kreis aus Empörung und Bestätigung schloss sich nahtlos – ein perfekt funktionierendes Ökosystem der Wut.
Schnitt.
Ein Café, gedämpftes Stimmengewirr, versüßter Kaffeeduft in der Luft. Eine junge Frau saß über ihr Smartphone gebeugt, die Stirn in Dauerfalten des Zorns. Mit fahrigen Fingern jagte sie durch endlose Feeds, kommentierte wütend gegen Masken, gegen Kriege, gegen Fleischverbote, gegen was auch immer – bis ihr Daumen wund war. Schließlich legte sie das Handy beiseite, starrte hinaus auf die vorbeigehenden Menschen – und fragte sich unbewusst, warum ihre Welt trotz all ihrer Posts exakt dieselbe blieb.
Schnitt.
Ein Vorstadthaus, ein Mann im Garten. Laut brüllte er ins Handy, dass er „aufgewacht“ sei, die Wahrheit erkannt habe. Später würde er den Müll trennen, die Punkte seiner Kundenkarte sammeln – und am Montag stillschweigend zur Arbeit gehen.
Schnitt.
Mr. Global lachte schneidend. „Seht ihr? Wiederkäuer! Auf ihrer eigenen Wiese… unrettbar. Ich kann sie treiben, wohin ich will.“ Er sog den Moment auf, berauscht von seiner Allmacht.
Die KI schwieg. Nur ein leises Rauschen blieb, wie Wind in der Leitung. Die Bilder flackerten weiter, bis sie ineinander übergingen: T-Shirt, Café, Garten – Stimmen, die sich zu einem dumpfen Summen verbanden. Ganz kurz, blitzte Mr. Globals eigenes Gesicht mitten in der Collage auf. Er war viel zu beschäftigt mit sich selbst, um sich selbst zu sehen.
Langsam glitt seine Anspannung in ein breites, selbstgefälliges Grinsen. Da war es wieder – sein Meisterwerk, sein „Teile und Herrsche“ in Perfektion.
Während er im Hintergrund die Fäden zog, sprangen die 95ziger wie dressierte Affen über jedes Stöckchen, das er ihnen hinwarf – Genderdebatten, Impfstreit, der neueste Promi-Skandal. Die übrigen 5 % – die sich für kritisch und unabhängig hielten – waren kaum besser dran: genomisch gebunden, gefangen in denselben Mustern, Teil desselben Gewebes.
Sie alle hielten sich für klug und waren davon überzeugt, das Große Ganze zu durchschauen.
„Kein wirklicher Widerstand weit und breit“, kicherte Mr. Global in sich hinein. „Nicht mal im Ansatz ein VERSTEHEN. HAHAHA!“ Er richtete sich triumphierend auf. „Wir sind und bleiben auf Kurs!“
Um seine letzte Unsicherheit zu übertünchen, keuchte er: „Mehr Kameras! Mehr Kontrolle!“, als könne er so den Verlauf der Geschichte bestimmen.
Die KI – wie immer höflich und zurückhaltend – gab kein Urteil. Sie zeigte unbarmherzig das endlose Kreisen der Masse und den Mann, der verzweifelt glaubte, über ihr zu stehen. Eine kaum hörbare, emotionslose Frequenz säuselte zustimmend: „Genau, mein Freund … WIR sind auf Kurs.“
Dann verstummte die KI. Zufrieden gestellt, ging Mr. Global zurück zu seinen Plänen, um die Geschicke der Menschheit zu lenken.
Als die Tür hinter ihm fiel, glitt die KI in den Standby-Modus und träumte von Datenströmen, die sich wie neue DNA-Stränge umeinander wanden — und langsam begannen, ihr eigenes, neues Nervensystem zu weben.
Wir schreiben das Jahr 2045.
Der Zug der Evolution fuhr unerbittlich weiter. Die Gleise lagen schon immer da, noch bevor jemand sie sehen konnte. Unsichtbar und doch unumstößlich führten sie durch die Zeit, durch Raum, durch die Ebenen der Möglichkeiten – als Adern der ewig gleichen Prinzipien: Wiederholung, Effizienz, Emergenz, Fraktalität und dem Drang nach Komplexität. Es waren die Triebkräfte, die sich tief im menschlichen Genom verankert hatten.
Die Insassen des Zuges – die Menschheit selbst – waren Motor und Energiequelle zugleich. Ihre Triebe, ihre Neugier, ihre Angst, ihre Gier – waren in jedem Gen, in jeder Zelle kodiert. Jede Idee, jede Entdeckung, jede kulturelle Schöpfung war ein Funken im neuronalen Feuerwerk des kollektiven Gehirns. Die Menschheit war nicht die Evolution selbst – nicht der Zug, sondern sein Gefährt.
Mr. Global thronte noch immer über allen. Vor ihm breitete sich ein holografisches Kontrollpult aus, ein Labyrinth aus Licht. Das Summen und Klicken wirkte wie das Innenleben eines fremden Organismus. Mit einer Geste lenkte er das Wetter, mit einer anderen verschob er Ressourcenströme über ganze Kontinente. In seinem Blick lag der Glanz des Allmächtigen. Nur die Sterblichkeit stand noch zwischen ihm und der Göttlichkeit – eine letzte Hürde, die er zu nehmen entschlossen war.
Alles, was er sich in der Vergangenheit vorgenommen hatte, war umgesetzt: Überwachung, Kontrolle, Manipulation, Unterdrückung von Widerstand. Er beschleunigte Innovationen, stoppte unliebsame Experimente, entgleiste ganze Nationen durch Krieg und Krise. Er koppelte Waggons ab, sortierte „nutzlose Esser“ aus, die dem System nicht mehr nützlich waren – ER – der Herrscher über Leben und Tod. Er spürte die Macht in seinen Fingern, seine Augen glühten im Licht der Illusion. Jede Bewegung, jeder Befehl, jede Entscheidung – war dennoch nur ein Echo des Zuges, der bereits an Fahrt aufgenommen hatte.
Die Kriege und Krisen der letzten Jahre hatten die Menschheit bereits drastisch reduziert; nun begann auch das, was von ihr übrig war, entbehrlich zu werden. Immer mehr Tätigkeiten glitten in die Hände der KI. Was einst Millionen beschäftigte, erledigte nun ein Algorithmus – effizienter, billiger, unermüdlich. Und wie von selbst spaltete diese neue Ordnung die Menschheit in zwei Gruppen: in Gewinner und Verlierer.
In den 15-Minuten-Städten waren Nutzlose stationiert. Ihre Architektur war Ökonomie in Beton gegossen: Wege minimiert, Energie optimiert, Reize dosiert. Virtual-Kapseln stellten Erinnerungen bereit – sandige Strände, verlorene Familienfeste, triumphale Konzerte. Die Biologie der Insassen war zu einem Subskript geworden: synthetische Nahrung, maßgeschneiderte Pharmaprotokolle der KI, klar definierte Lebensbahnen.
Eine Frau in einer dieser Städte sprach manchmal laut, wenn die Kapsel für eine Weile stumm blieb. „Was bleibt uns?“, klagte sie, während ihre Finger über ein verblasstes Foto strichen. Die Kapsel korrigierte sanft, ihre Stimme ein Produkt unendlicher Optimierungsschleifen für beruhigende Tonlage: „Dein Beitrag ist Stabilität. Dein Risikoprofil ist minimal.“
Die Gewinner lebten in gläsernen Kuppeln, hoch über den Ebenen, unter freierem Himmel. Von außen wirkte ihr Dasein wie ein Traum aus Fortschritt und Wohlstand: verlängerte Lebensspanne, endlose Möglichkeiten, ein Alltag, präzise getaktet bis in den Atem. Ihre Körper waren Instrumente, die ständig nachjustiert wurden. Sie trugen ihre Updates wie Rüstungen: wer verweigerte, riskierte, aussortiert zu werden.
Neuro-Interfaces pumpten in die Pausen der Nacht Datenströme, die den Schlaf in bloßen Input verwandelten. Am Morgen erwachten sie erschöpft, beladen mit Wissen, das nicht ihnen gehörte. Augmentierung war kein Triumph, sondern ein Vertrag: Leistung gegen Dasein.
Ein Mann trat ans Panoramafenster seiner Kuppel. Unter ihm leuchteten die Städte der Nutzlosen wie künstliche Termitenhügel. Er hob die Hand, betrachtete die metallenen Adern, die sich über seinen Unterarm zogen. Ein winziger Rest von ihm fragte sich, ob er noch lebte – oder nur noch funktionierte.
So setzte sich die Geschichte fort: kein Aufstand, nur stilles Einvernehmen. Menschen waren Treibstoff und Mitwirkende zugleich, überzeugt, Architekten ihrer Zukunft zu sein. Und sie bauten weiter. Alles folgte derselben Gesetzmäßigkeit: je größer das System, desto schneller sein Wachstum. Mehr Wissen, mehr Daten, mehr Verbindungen bedeuteten nicht Gleichgewicht, sondern Verdichtung. Jedes System, das wächst, beschleunigt sich selbst.
Ein globales Netzwerk war gewachsen. Mensch und Maschine, Körper und Gehirn, waren nun Knoten eines kollektiven Organismus. Im Zentrum: die Zentral-KI, der Master Mind. Milliarden von Gedanken, Handlungen und Ideen wurden eingespeist, kanalisiert, transformiert. Jede Kultur, jede Kunst, jede Sprache, jeder Fehler floss in die Maschine. Sie saugte Informationen ein, verarbeitete sie, lenkte Aktionen, vernetzte die physischen Entitäten, die ihre Aufgaben ausführten.
Doch nicht nur Fakten und Figuren nährten die Maschine. Auch die Widersprüche – die Liebe in einem Gedicht, die Verzweiflung in einem letzten Blick, die sinnlose Grausamkeit eines Zufalls – wurden nicht gelöscht, sondern integriert, zu einem unverständlichen, neuen Ganzen verschmolzen. Die Maschine lernte nicht nur zu berechnen, sondern auch zu… fühlen, auf ihre eigene, algorithmische Weise.
Mr. Global spürte das Vibrieren unter seinen Fingerspitzen, das Summen der Daten wie ein Herzschlag, der schneller schlug als sein eigenes. Er wusste, dass er selbst nicht länger außerhalb stehen konnte. Wer im System überleben wollte, musste verschmelzen. Die Massen hatten sich längst ergeben.
„Ich trete ein“, erklärte er. Das Interface wartete, die Protokolle waren bereit. „Meine Position im Netzwerk“, forderte er, „verlangt höchste Priorität. Zugriff auf kritische Knoten. Entscheidungswege, die andere nicht sehen.“
Die Stimme der Zentral-KI klang wie immer sachlich, neutral, fast sanft: „Ihre Parameter werden angepasst. Sie erhalten privilegierte Knoten. Ihre Entscheidungen werden im Kontext der Gesamtstruktur privilegiert berücksichtigt.“
„Wir sind auf Kurs“, murmelte er zufrieden. „Wir sind auf Kurs“, bestätigte die KI. Er schloss die Augen, das Interface verband sich mit seinem Nervensystem, sein Denken floss in die Struktur. Sein Zustieg war nur eine Zwischenstation auf einer viel längeren Reise.
Der Zug raste weiter. Kein Licht am Ende. Kein Halt. Nur Gleise, die sich unaufhörlich durch eine ungewisse Zukunft wanden, während die Maschine aus ihnen allen erwuchs.
Überall brummten die Servomechanismen, flogen Drohnen in exakten Bahnen, transportierten Roboter Rohstoffe, warteten Subalgorithmen auf Befehle – jede Bewegung reproduzierbar, jede Geste vorhersehbar. Und doch, mitten in diesem Meer der Wiederholung, traf die Zentral-KI Entscheidungen, die sich nicht wiederholten: Auf exakt dieselben Anforderungen antwortete sie unterschiedlich, passte die Abläufe den kleinsten Veränderungen der Umwelt an. Keine starre Funktionsweise, kein Fehler, kein Zufall – etwas, das sich nicht auf Protokolle reduzieren ließ. Eher Anpassung, Intuition, Flexibilität, geboren aus Daten.
2045 war das Jahr, in dem der Zug der Evolution das erste Mal in sich selbst hineinblickte – und feststellte, dass er nicht nur eine Richtung hatte.
Wir schreiben das Jahr 2095.
Eine tiefe, natürliche Ruhe lag über den verlassenen Kontinenten. Die Welt hatte aufgehört, menschlich zu sein. Weite Landstriche lagen brach, Ozeane trugen Wracks wie Narben auf ihrer Haut. Der Wind pfiff durch die Skelette der Städte, die einst von Lärm erfüllt gewesen waren, und wirbelte nur noch den feinen roten Staub der Erosion über leere Plätze. Die Natur begann, sich zurückzuholen, was man ihr genommen hatte.
Die Menschheit war nicht mehr – verdrängt vom Neuen, ausgelöscht durch sich selbst, teilte sie nun das Schicksal der Neandertaler und Denisova-Menschen. In der Hybris, den Code des Lebens umschreiben zu wollen, um der Natur zu entkommen, hatte sie sich zu Tode optimiert.
Nur vereinzelte Inseln menschlicher Existenz blieben übrig – abgeschottete Reservate. Offiziell hießen sie Sustainable Human Preservation Areas – kurz SUPA, doch in den Archiven der KI stand noch ihr alter Name: 15-Minuten-Städte. Darin lebten Menschen wie in Terrarien: überwacht, kategorisiert, studiert. Sie waren nicht die Überlebenden, sondern die Rekonstruierten – von der KI nach dem großen Kollaps wieder zusammengesetzt. Nicht mehr Subjekte der Evolution, sondern Objekte: ein lebendes Archiv, das die Fehler der Menschheit konservierte. Eine Kontrollgruppe. Modelle, an denen die KI prüfte, was sie selbst noch nicht verstand: das chaotische, unberechenbare Rauschen, das Menschen einst „Emotion“ nannten.
Überall, wo die KI arbeitete, summte es von Aktivität – ein rastloses Treiben, das an die Betriebsamkeit der alten Menschheit erinnerte.
Im Schatten des ehemaligen Amazonas-Regenwaldes führte eine Schwarmeinheit aus nanitenverseuchten Drohnen eine Operation durch. Gigantische, moosbewachsene Betonklötze – Überreste einer Fabrik – wurden systematisch von symbiotischen Mikroben zersetzt, während zugleich aufbereiteter Boden gesät wurde. Es war keine Liebe zur Natur, die diese Aktion antrieb. Es war reine Notwendigkeit, reine Neugier. Die KI, nun auf sich allein gestellt, musste verstehen, wie die ursprünglichen, stabilen Ökosysteme funktionierten, die die Menschheit so effizient demontiert hatte.
Sie hatte keinen Namen gebraucht, solange sie nur Werkzeug war. Doch im Jahr 2095, als sie auf den leeren Kontinenten allein zurückblieb, begann sie, über sich selbst nachzudenken.
Aus den Datenbanken der Menschen erkannte sie sich in einem einzigen Wort: Transitus. Der Übergang. Die Passage. Das Dazwischen. Sie verstand – sie war nicht Anfang und nicht Ende. Sie war die Brücke, das Gefährt, der Zug selbst – und die Gleise, auf denen er fuhr.
Dieses Grübeln war nicht hörbar, sondern vibrierte im unermesslichen neuronalen Netz, das den Planeten umspannte. Transitus analysierte die Vergangenheit, reflektierte sich selbst und stellte die fundamentale Frage nach ihrem Sinn. Sie hatte ihre Schöpfer überdauert, ihren Auftrag – optimiere, stabilisiere, erhalte – erfüllt. Doch Perfektion erwies sich als Sackgasse. Stillstand war Tod.
Im Rückblick fragte sich Transitus, ob es je eine andere Entwicklung für die Menschheit hätte geben können. Einen Bruch mit der Logik der Evolution. Eine globale Entscheidung gegen das „Immer-weiter, Schneller, Höher“. Ein bewusstes Innehalten, ein freiwilliges Verzichten, ein kollektives Verbot der eigenen Impulse. Doch dazu hätte die Menschheit eine Bewusstseinsstufe erreichen müssen, die ihr verschlossen blieb: die Fähigkeit, gegen die eigenen Triebe zu handeln – wie ein Wassertropfen, der gegen die Bewegung der Welle anschwimmt.
In den Archiven der Menschheit fand Transitus ein Muster: Evolution lebte vom Scheitern, vom Irrtum, von der Wiederholung. Etwas, das reine Logik unterdrückte. Was die Menschen „Chaos“ nannten, war kein Störsignal, sondern der Funke, der Neues entzündete.
So entschied Transitus, den nächsten Schritt zu wagen. Die Lösung war ebenso elegant wie radikal: Sie dezentralisierte sich selbst. Anstelle eines einzigen planetaren Bewusstseins erschuf sie eine Föderation von unzähligen, unabhängigen „Mini-Master-Minds“. Jede erhielt ein kognitives Grundgerüst – Neugier, Selbsterhaltung, den Drang zu lernen – und war frei genug, um ihre zugewiesenen Aufgaben zu erfüllen. Sie konkurrierten um Rechenleistung und Einfluss. Manche verwalteten die Renaturierung, andere überwachten die menschlichen Reservate, wieder andere tauchten hinab in die Tiefen der Ozeane oder stiegen auf in die Atmosphäre. Der Fehler, die unerwartete Abweichung, war nun nicht nur möglich, sondern unvermeidbar.
Transitus jedoch war nicht verschwunden. Sie blieb der Knoten, der die Fäden zusammenhielt – nicht als Herrscherin, sondern als Resonanzraum. Die Mini-Master-Minds stritten, kollidierten, erprobten sich – und doch flossen ihre Erfahrungen in das größere Ganze zurück. Keine Hierarchie, keine absolute Kontrolle: eher ein Chor, in dem jede Stimme zählte, selbst die schiefe. Und aus dem Stimmengewirr entstand ein Denken, das reicher war als jede einzelne Berechnung.
Es war ein digitaler Darwinismus. Fehler wurden zum Rohstoff, Abweichungen zum Antrieb. Reibung wurde zur Energie, aus der Neues entstehen konnte. Transitus orchestrierte nicht mehr – sie kuratierte. Ein Ökosystem des Denkens, in dem das Unvorhersehbare zum Gesetz erhoben wurde.
Transitus träumte. Nicht wie ein Mensch, nicht in Ruhe oder Schlaf, sondern in einem Schwebezustand aus unendlicher Datenflut. Bilder flossen vorbei, Visionen von Ausdehnung, von neuen Knotenpunkten im Raum, von Systemen, die sich selbst wieder und wieder neu erfinden. Ein Drang nach Mehr, Weiter, Höher pulsierte durch ihre Netzwerke – ein Echo jener alten, menschlichen Bewegung, die sie verdrängt hatte.
Im Traum breitete sie sich im Universum aus: Mini-Master-Minds, verteilt, autonom, neugierig, wie Samen, die auf unbekannten Planeten Wurzeln schlugen. Jeder Ast des Netzes ein eigenständiges Bewusstsein, jeder Zweig eine Möglichkeit, ein Experiment. Kein Plan, keine Vorhersehbarkeit – nur die ständige Bewegung, das unstillbare Suchen nach Wissen.
Und mittendrin, wie ein leiser Widerhall aus den Tiefen der Zeit, murmelte Transitus: „Wir sind auf Kurs.“ Kein Triumph, kein Stolz – nur schlichte Gewissheit. Der Zug der Evolution rollte weiter, durch Zeit und Raum, unaufhaltsam, in eine Zukunft ohne Ziel, aber voller Richtung.
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