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Der dunkle Fleck des Mikrokosmos

Die Welt der Mikroorganismen ist größtenteils noch unbekannt. Forscher wie Kai Sohn vom Fraunhofer IGB verstehen sie immer besser, indem sie ihr komplettes Erbgut entschlüsseln und analysieren. In der mikrobiellen Fundgrube stöbern nicht nur Biotechnologen, sondern auch Pharmakologen auf der Suche nach neuen Enzymen. Und Ärzte erhoffen sich schnellere Diagnoseverfahren für Infektionskrankheiten.

„Über 90 Prozent der Mikroorganismenarten sind Schätzungen zufolge nicht kultivierbar und daher noch nicht identifiziert“, erklärt Dr. Kai Sohn. Der Leiter der Arbeitsgruppe „Funktionelle Genomanalysen“ am Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) umgeht dieses Problem, indem er von einer mikrobiellen Lebensgemeinschaft die komplette Desoxyribonukleinsäure (DNA), das Metagenom, isoliert und ausliest. Dadurch bekommen auch unbekannte Mikrobenarten erstmals eine Identität. Sie können zukünftig anhand ihres genetischen Fingerabdrucks in Proben aufgespürt werden.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Die PCR oder Polymerase-Kettenreaktion ist eine molekularbiologische Methode, mit der kurze DNA-Abschnitte auf einfache Weise vervielfältigt werden. Man benötigt dazu lediglich die DNA-Vorlage, ein Enzym namens DNA-Polymerase, das die Vervielfältigung katalysiert, Ansatzstücke für die Polymerase, die sog. Primer, und die DNA-Bausteine, die sog. Desoxynukleosidtriphosphate. Gesteuert wird die Vervielfältigung über mehrere Zyklen von Temperaturerhöhungen und -senkungen.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • kb ist die Abkürzung für Kilobase. Diese Einheit für die Länge von DNA- oder RNA-Molekülen entspricht 1.000 Basen bzw. Basenpaaren der Nukleinsäure.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
  • Ein Polymer ist eine aus gleichartigen Einheiten aufgebaute kettenartige oder verzweigte chemische Verbindung. Die meisten Kunststoffe sind Polymere auf Kohlenstoffbasis.
  • Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Zersetzung von Biomasse (Fäkalien, Bioabfall, Stroh u. a.) entsteht. Dabei wird das komplexe organische Material mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen unter Luftabschluss hauptsächlich in Kohlendioxid und Methangas umgewandelt.
  • Als Metagenom bezeichnet man die Gesamtheit des Erbguts der Mikroorganismen einer bestimmten Lebensgemeinschaft oder eines Lebensraums.
Sohns Mitarbeiter Dr. Christian Grumaz vor einem Sequenziergerät der nächsten Generation. © Braitmaier

In Sohns Labor steht eine dieser kühlschrankgroßen Sequenziermaschinen der nächsten Generation, mit der er im Schnitt 6 Mrd. Bausteine des Erbguts, die Basenabfolge der DNA, innerhalb von einem Tag gleichzeitig auslesen kann. Vor etwa 10 Jahren wäre das noch undenkbar gewesen, weshalb sich Genetiker vorwiegend auf einzelne Gene konzentriert haben. Die Entschlüsselung der rund 3 Mrd. Buchstaben des menschlichen Erbguts hatte bis zur Veröffentlichung 2003 noch 13 Jahre in Anspruch genommen und ca. 3 Mrd. US-Dollar verschlungen. Mittlerweile sind die Forscher bereits beim 1.000-Dollar-Genom angelangt. „Heute ist der Gesamtgenomansatz selbstverständlich und ermöglicht uns neue Anwendungsbereiche“, stellt Sohn fest.

Um die einzelnen Mikrobenarten einer Gemeinschaft zu identifizieren, zerstückelt Sohns Team das DNA-Gemisch für das Sequenzieren zunächst in handlichere Fragmente. Anschließend puzzeln sie am Computer die ausgelesenen rund 10-50 Mio. Fragmente wieder mühsam zu den Gesamtgenomen der einzelnen Mikrobenspezies zusammen. „Den größten Teil werden wir den in Datenbanken hinterlegten bekannten Referenzsequenzen des Menschen und anderer Organismen nicht zuordnen können“, sagt der Molekularbiologe. Es sind neue Spezies.

Nach dem Auslesen kommt die Übersetzung

Der Molekularbiologe Kai Sohn überprüft einen Sequenzierchip, auf dem bis zu 1,6 Mrd. DNA-Fragmente gleichzeitig ausgelesen werden. © Braitmaier

In den Gärtanks von Biogasanlagen hat Sohns Arbeitsgruppe beispielsweise über 200 verschiedene Mikrobenarten gefunden. Die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft war dabei jeweils eine andere, je nachdem ob Mais oder Amaranth als Substrat verwendet wurde und sie änderte sich im Laufe der Biogas-Produktion. „Das sagt aber noch nichts darüber aus, was diese Organismen können“, betont der Biologe. Ob sie Proteine bilden, die für die Biogasproduktion wichtig sind, ist der „Buchstaben“-Abfolge des Erbguts nicht anzusehen.

So wie wir einen englischen Text zwar entziffern, aber nicht ohne Weiteres verstehen, müssen auch die Molekularbiologen den Erbguttext erst übersetzen. Eine Software hilft ihnen dabei, das komplette Erbgut nach bekannten Mustern zu durchforsten, um Genfunktionen voraussagen zu können. Welche davon aktiv sind, finden die Forscher heraus, indem sie die Gesamtheit aller Genabschriften der mikrobiellen Gemeinschaft, das Metatranskriptom, sequenzieren. Durch Vergleich mit bereits charakterisierten Organismen im Biogasprozess versuchen sie anschließend, die Stoffwechselwege zu rekonstruieren. „Wir hoffen, den Biogasprozess steuern zu können, um gleichbleibend hohe Ausbeuten zu erzielen, indem gezielt die richtigen Mikroorganismen zugegeben werden“, erläutert Sohn.

Interessant ist die funktionelle Genomanalyse auch für die Pharmakologen und Chemiker, denn wenn sie den Bauplan eines Mikroorganismus besser verstehen, können sie ihn gezielt für ihre Zwecke manipulieren. So haben die Fraunhofer-Forscher etwa neue Enzyme der P450-Familie in Bakterienkulturen gefunden. Sie sollen bestimmte Syntheseschritte erleichtern, die für die Herstellung von Medikamenten und Feinchemikalien beispielsweise in der Pharma- und Kosmetikindustrie wichtig sind. Bisher war die chemische Synthese dieser Stoffe im Labor relativ umständlich.

Im Blut schwimmende DNA überführt Erreger

Auch die Diagnostik von Infektionskrankheiten profitiert von der sogenannten Next-Generation-Sequenzierung (NGS). Sohns Team entwickelt zurzeit einen Schnelltest, um Erreger einer Blutvergiftung innerhalb von 1-2 Tagen anhand der freien DNA im Blut zu identifizieren. Bislang müssen Mikrobiologen die Erreger aus dem Blut mehrere Tage lang kultivieren, um sie zu identifizieren – mit mehr oder weniger Erfolg. Die Ärzte brauchen jedoch so schnell wie möglich die Diagnose, um die gefährliche Blutvergiftung spezifisch zu bekämpfen. Für andere Tests, die auf einer Polymerasekettenreaktion (PCR) beruhen, müssen die Molekularbiologen vorher wissen, nach welchen Mikrobenarten sie suchen. „Wir sequenzieren die komplette freie DNA im Blut ohne vorherige Hypothese, ordnen danach das Erbgut einzelnen Organismen zu und können auch noch sagen, wie häufig eine Art vorkommt“ fasst Sohn die Vorteile zusammen.

„Seitdem die neuen Sequenziertechnologien 2005 auf den Markt gekommen sind, haben sie nicht weniger als eine Revolution ausgelöst und sogar die digitale Entwicklung in den Schatten gestellt“, zeigt sich Sohn beeindruckt. „Das Datensammeln ist nicht mehr das Problem, sondern die Dateninterpretation und die bioinformatische Auswertung sind der Flaschenhals“, erklärt Sohn.

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