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PUBLIC RELEASE DATE: 21 April 2005

Walskelett und Ackerboden: Die Sequenzierung der Artenvielfalt

Mit Hilfe der Metagenomik beschreiben Wissenschaftler das verborgene Leben



EMBL Wissenschaftler Dr. Christian von Mering, Dr. Peer Bork (vorne)

Heidelberg, 21. April, 2005 Warum nicht statt des Genoms eines einzelnen Organismus auch einmal einen Tropfen Meerwasser, ein Gramm Ackerboden oder selbst ein versunkenes Walskelett sequenzieren? Das fragten sich Wissenschaftler am Europischen Laboratorium fr Molekularbiologie (EMBL), und schritten gemeinsam mit Kollegen aus den USA zur Tat. Das Ergebnis ist eine neue Wertschtzung gegenber des eindrucksvollen Reichtums an Leben, der sich selbst an den ungewhnlichsten Orten noch zeigt ( Science, 22. April, 2005).

Mit Abstand die grte Biomasse auf unserem Planeten wird von Bakterien gestellt, die im Leben aller anderen Organismen eine zentrale Rolle spielen. Dennoch ist bislang erst ein Bruchteil dieser Einzeller identifiziert worden, da sich 99 Prozent der Bakterienarten mit den gngigen Laborverfahren nicht heranzchten lassen. Die wahre Vielfalt mikrobiellen Lebens bringt nun das neu entstehende Forschungsgebiet der Metagenomik ans Licht. Anders als bei bisherigen Genomanalysen spezifischer Lebewesen wird hier die DNA von Umweltproben etwa aus Ozeanen oder Bden sequenziert. Erstmals zeigt sich den Wissenschaftlern damit ein klares Bild von der Vielfalt des Lebens in diesen kosystemen.

Bisher waren diese Untersuchungen schlicht nicht durchfhrbar, erklrt Peer Bork, am EMBL verantwortlich fr die Datenanalyse des Projekts. Fr die neue Technik sind unendlich viele Anwendungs-mglichkeiten denkbar, vom Bauern, der die Beschaffenheit seiner Bden kennen lernt, ber die Bekmpfung von Bakterienbefall in Krankenhusern bis hin zur Charakterisierung des Mikrobenbestands im Mundraum eines Patienten.

Gemeinsam mit EMBL-Forscher Christian von Mering und Projektkollegen in den USA hat Bork in seiner laufenden Studie zwei grundverschiedene Proben analysiert: Walskelette aus der Tiefe des Ozeans und Ackerbodenproben von einer US-amerikanischen Farm. Whrend die Knochen der Walfische auf dem Meeresgrund als lipidreiche Nahrungsquelle einem prosperierenden kosystem spezialisierter Bakterien zum Wachstum verhelfen, ist Ackerboden ein klassisches Beispiel fr einen komplexen Lebensraum mit mehreren tausend spezifischen Arten von Mikroorganismen (berwiegend Bakterien) in einer Probe von gerade einmal einem halben Gramm Gewicht.

Zu Beginn ihrer Untersuchungen sequenzierten die Forscher aus jeder der Proben Hunderttausende von Genen annhernd ebenso viel DNA, wie in etwa fnfzig vollstndigen Bakteriengenomen zu finden sind. Diese Daten wurden anschlieend um zwei erst vor kurzem verffentlichte Datenstze aus Untersuchungen von Oberflchenwasser sowie eines Biofilms von surehaltigem Bergwerksickerwasser ergnzt. Erstmals konnte damit eine Vergleichsstudie des Lebens in vier unterschiedlichen kosystemen durchgefhrt werden.

Aus den Genen der Proben erstellten die Forscher fr jedes der analysierten kosysteme einen funktionellen Fingerabdruck, an dem sich erkennen lie, dass die individuelle Anpassung der Bakteriengemeinschaften an ihre jeweiligen Umweltbedingungen sich in ihrem Genmaterial niederschlgt. Jedes kosystem wies eine spezifische Anreicherung mit bestimmten Genklassen auf. In der Bodenprobe beispielsweise waren die Gene von Enzymen, die pflanzliches Material zersetzen, verstrkt vertreten, im Oberflchenwasser hingegen photosynthetische Gene. Neben bereits bekannten Genen fanden die Forscher auerdem zahlreiche umweltspezifische Gene mit bislang ungeklrter Funktion. Anhand seiner Position im DNA-Fragment lie sich die funktionelle Klasse eines Gens jedoch annhernd vorherbestimmen. Vielen neuartigen Genen wurde auf diese Weise eine Beteiligung an der DNA-Reparatur oder bei der Biosynthese von Antibiotika zugeschrieben.

Schon die begrenzte Anzahl von Puzzleteilen, die wir in den vielen Tausenden von DNA-Fragmenten unterschiedlicher Lebewesen gefunden haben, reicht aus um Unterschiede zwischen den Gemeinschaften zu definieren, die sich von der Genomgre bis zur Lebensweise erstrecken, resmiert Bork. Dieser metagenomische Ansatz knnte helfen, mehr ber bislang weitgehend unerforschte kosysteme zu erfahren. So lieen sich auf diese Weise der Nhrstoffanteil in Ackerbden oder der Grad der Meerwasserverschmutzung einschtzen. Ausgehend von den Daten knnten Forscher darber hinaus die annhernde Anzahl aller auf unserem Planeten vertretenen Arten oder aber smtlicher zellulren Prozesse bestimmen, die das Leben so komplex machen.

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ber EMBL:

Das Europische Laboratorium fr Molekularbiologie ist ein Grundlagenforschungsinstitut, das mit ffentlichen Geldern aus 18 Mitgliedslndern finanziert wird unter ihnen die meisten EU-Lnder, die Schweiz und Israel. Die Forschung bei EMBL wird durch etwa 80 unabhngige Gruppen durchgefhrt, die das Spektrum der Molekularbiologie abdecken. Das Laboratorium gliedert sich in fnf Einheiten: das Hauptlabor in Heidelberg sowie Auenstellen in Hinxton (das Europische Institut fr Bioinformatik), Grenoble, Hamburg und Monterotondo in der Nhe von Rom. Die Eckpfeiler von EMBLs Mission sind: Grundlagenforschung im Bereich der Molekularbiologie durchzufhren, Wissenschaftler, Studenten und Gste auf jedem Niveau auszubilden, den Wissenschaftlern in den Mitgliedsstaaten zentrale Dienste anzubieten und neue Instrumente und Methoden fr die Lebenswissenschaften zu entwickeln. An dem internationalen PhD-Programm von EMBL nehmen etwa 170 Studierende teil. Das Laboratorium frdert auerdem ein aktives Programm Wissenschaft und Gesellschaft. Besucher aus Presse- und ffentlichkeit sind herzlich willkommen.

Quellenartikel: S. Tringe, C. von Mering, A. Kobayashi, A. Salamov, K. Chen, H. Change, M. Podar, J. Short, E. Mathur, J. Detter, P. Bork, P. Hugenholtz, E. Rubin. Comparative Metagenomics of Microbial Communities. Science. April 22, 2005.

Weitere Exemplare dieses Science Artikels sind ber das AAAS Office of Public Programs erhltlich, Tel: 1-202-326-6440, scipak@aaas.org.