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Johannes Krause erforscht historische Pathogene: Alte Erreger in neuem Licht

Johannes Krause erforscht als Paläogenetiker urgeschichtliches Erbmaterial. Dass dieses nicht nur historisch interessant ist, zeigen seine Arbeiten zur Evolution von humanen Krankheitserregern. Sie erlauben Rückschlüsse auf zukünftige Ausbrüche und Epidemien. Krause erhielt im Herbst 2012 einen „ERC Starting Grant“ der EU, mit dem er seine Forschung zur Pest und anderen alt bekannten, aber immer noch aktuellen Pathogenen ausweitet.

Der Genetiker Johannes Krause © Friedhelm Albrecht, Universität Tübingen

Eigentlich habe er sich schon immer für Paläontologie interessiert, sagt der studierte Biochemiker. Jun.-Prof. Dr. Johannes Krause beschäftigt sich heute vor allem mit Paläogenetik. Die genetische Komponente kreuzte seinen Berufsweg schon während eines Studienaufenthalts in Irland, den er im Rahmen des europäischen ERASMUS-Programms durchführte: „Während dieses Jahres habe ich ein immer besseres Verständnis für Genetik entwickelt, was mein Interesse weiter gesteigert hat“, so Krause. Bereits in seiner Diplomarbeit befasste er sich mit urzeitlichen Genen und wirkte an einer viel beachteten Arbeit mit, die zeigte, dass das Mammut näher mit dem Indischen als dem Afrikanischen Elefanten verwandt ist. „Unsere Ergebnisse wurden in ‚Nature’ veröffentlicht, was für mich schon eine tolle Sache war“, sagt Krause nicht ohne Stolz, denn nicht alle Tage hat ein Diplomand bereits eine solch hochrangige Veröffentlichung in seiner Vita.

Während seiner Doktorarbeit am Leipziger Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie begann er bereits 2003 damit, eigene Projekte zu übernehmen und untersuchte neben Mammut-DNA auch die von Höhlenbären. Schließlich rückte auch der Urmensch in seinen Fokus: Krause war maßgeblich an der Entschlüsselung des Neandertalergenoms beteiligt. Eine Arbeit, die während seiner Postdoc-Zeit am Leipziger MPI veröffentlicht wurde. Außerdem beschrieb Krause erstmals mit Hilfe genetischer Analysen den Denisova-Menschen, einen Urmenschen, der vor etwa 40.000 Jahren im sibirischen Altai-Gebirge gelebt hat. Die Universität Tübingen spielte in Krauses Wissenschaftlerleben bereits dadurch eine Rolle, dass er 2009 den Tübinger Förderpreis für Ältere Urgeschichte und Quartärökologie erhielt. Dieser wird von der Universität Tübingen weltweit ausgeschrieben, um besonders talentierte Nachwuchswissenschaftler in der Paläontologie zu unterstützen. Den von EiszeitQuell gestifteten Preis verleiht die Universität seit 1998 – mit 5.000 Euro ist er der höchst dotierte jährlich vergebene Preis dieser Art.

Tübingen erhielt neue Abteilung für Paläogenetik

Segnung von Seuchenkranken (Buchmalerei 1360-75)

Da Krause die Tübinger Paläontologie als eine der stärksten in Deutschland schätzt, verstand er es durchaus als weitere Auszeichnung, als ihn der Institutsleiter wegen einer Juniorprofessur in Tübingen ansprach. „Mit finanzieller Unterstützung der Carl-Zeiss-Stiftung wollte die Universität zwei neue Juniorprofessuren besetzen. Eine davon sollte mit dem Aufbau einer neuen Abteilung für Paläogenetik verbunden sein, wofür speziell ein Genetiker gesucht wurde. In meinem Alter – ich war noch nicht einmal 30 – war das natürlich ein sehr attraktives Angebot“, so Krause. Seit 2010 forscht und lehrt er nun in Tübingen am Institut für Naturwissenschaftliche Archäologie.

Das jüngste Highlight in seiner Laufbahn ist der „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrats ERC (European Research Council). Der ERC wählt nach einer europaweiten Ausschreibung einmal jährlich die besten Projektideen aus, um sie fünf Jahre lang zu fördern. Krause erhält 1,5 Millionen Euro für sein Projekt zur Erforschung der Evolution von Infektionskrankheiten aus dem Kontext historischer Pandemien. Mit den Fördergeldern kann Krause sein Team mit internationalen Nachwuchswissenschaftlern aufstocken, drei Doktoranden und zwei Postdocs sollen damit finanziert werden. Dabei ist die Erforschung altbekannter Erreger kein neues Feld für Krause: 2011 ist es ihm und seiner Gruppe gelungen, das Genom des Erregers der mittelalterlichen Beulenpest zu entschlüsseln. Die Analysen haben ergeben, dass sich alle heutigen Peststämme aus der mittelalterlichen Form entwickelt haben.

Krause erklärt, warum dieses Ergebnis so bemerkenswert ist: „Bei der europäischen Beulenpest des Mittelalters und zum Beispiel dem Pestausbruch in China im 19. Jahrhundert herrschten ähnliche Umweltbedingungen. Trotzdem unterschieden sich das Ausbreitungsgeschehen, die Symptome und die Mortalitätsraten. Deshalb wurde lange angenommen, dass es sich um verschiedene Erreger handelt und dass der mittelalterliche Stamm heute ausgestorben ist. Durch unsere genetischen Vergleiche zwischen historischen und heutigen Stämmen konnten wir jedoch das Abstammungsverhältnis zeigen und dass es im 13./14. Jahrhundert zu einer Aufspaltung der Stämme kam.“ Für solche Untersuchungen rekonstruieren die Tübinger Forscher die historische Pathogen-DNA und vergleichen sie mit der DNA von heutigen Bakterienstämmen – zum Beispiel mithilfe von DNA-Microarrays. Sequenziert wird im Hochdurchsatzverfahren, wofür das Team die enorm leistungsfähigen „Next Generation“-Sequenziermaschinen der Tübinger Humangenetik nutzt.

Mehrwert für heutige Infektionsforschung

Pest-Doktor (1656)

Mit den ERC-Geldern will Krause in den nächsten fünf Jahren Erreger aus den letzten 10.000 Jahren aus ganz Europa untersuchen. Als Untersuchungsobjekte dienen unter anderem Erreger der Athenischen (um 430 v. Chr.), der Justinianischen (um 540 n. Chr.) und der Antoninischen Pest (180 n. Chr.), wobei Krause zumindest die Letztere nicht für einen Beulenpest-Ausbruch hält: „Wahrscheinlich handelt es sich dabei eher um eine Pockenepidemie als um eine Beulenpest. Wir vermuten, dass die Justinianische Pest die erste Pestepidemie ist“, so der Forscher. Er will mit seinen Analysen auch herausfinden, wann Krankheitserreger jeweils auf den Menschen übergesprungen sind und wie sie sich an ihren neuen Wirt angepasst haben. „Wir wollen möglichst genau nachvollziehen, wie sich die Bakterien im Laufe der Zeit verändert haben. So erhalten wir Mutationsraten, die sich im Labor nur schlecht bestimmen ließen. Aus den Ergebnissen können wir unter anderem darauf schließen, wie schnell es in Zukunft zu Mutationen und damit verbundenen Gefahren kommt. Das ist zum Beispiel im Zusammenhang mit Antibiotika-Resistenzen interessant, denn ihre Ausbreitung hängt mit von der Mutationsrate des Erregers ab.“ Neben dem praktischen Nutzen interessiert den Wissenschaftler auch der Grundlagenaspekt. Krause hofft, mit seiner Forschung über Adaptionsprozesse bei bestimmten Erregern einen Erkenntnisgewinn zur Evolutionsforschung beizutragen.

Da die Pathogene selbst normalerweise keine Fossilien hinterlassen, erhält das Team sein Forschungsmaterial hauptsächlich aus alten Skeletten von Menschen und Tieren, die von dem Erreger befallen waren. Rund um die Welt gibt es zahlreiche paläopathologische Sammlungen, aus denen Proben bezogen werden, was durch die zahlreichen internationalen Kooperationen der Tübinger erleichtert wird. „Neben Skelettknochen sind Zähne eine gute Quelle. Sie bilden quasi kleine Container, die durch Schmelz geschützt sind. Im Inneren finden wir schwarzes Pulver, das die Pulpa gebildet hat, ein gut durchblutetes Nervengewebe im Zahn. Aus dem getrockneten Blut können wir relativ gut die Erreger-DNA isolieren, als eine Art molekulares Fossil“, erklärt Krause. Moderne Vergleichsproben speziell des Pesterregers zu erhalten, ist deutlich weniger schwierig, denn nach wie vor gibt es immer wieder Ausbrüche dieser Krankheit. „Es gibt jedes Jahr ein paar tausend Fälle. In Amerika flammt die Pest zum Beispiel immer wieder bei Nagetieren auf, von denen sie hauptsächlich durch Flöhe auch auf den Menschen übertragen werden kann.“

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