[ Back to EurekAlert! ] PUBLIC RELEASE DATE: 21 April 2005

Kontakt: Trista Dawson
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European Molecular Biology Laboratory

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 Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL), und schritten gemeinsam mit Kollegen aus den USA zur Tat. Das Ergebnis ist eine neue Wertschätzung gegenüber des eindrucksvollen Reichtums an Leben, der sich selbst an den ungewöhnlichsten Orten noch zeigt ( Science, 22. April, 2005).

Mit Abstand die größte 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 gängigen Laborverfahren nicht heranzüchten 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 Böden sequenziert. Erstmals zeigt sich den Wissenschaftlern damit ein klares Bild von der Vielfalt des Lebens in diesen Ökosystemen.

„Bisher waren diese Untersuchungen schlicht nicht durchführbar,“ erklärt Peer Bork, am EMBL verantwortlich für die Datenanalyse des Projekts. „Für die neue Technik sind unendlich viele Anwendungs-möglichkeiten denkbar, vom Bauern, der die Beschaffenheit seiner Böden kennen lernt, über die Bekämpfung von Bakterienbefall in Krankenhäusern 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. Während die Knochen der Walfische auf dem Meeresgrund als lipidreiche Nahrungsquelle einem prosperierenden Ökosystem spezialisierter Bakterien zum Wachstum verhelfen, ist Ackerboden ein klassisches Beispiel für einen komplexen Lebensraum mit mehreren tausend spezifischen Arten von Mikroorganismen (überwiegend 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 – annähernd ebenso viel DNA, wie in etwa fünfzig vollständigen Bakteriengenomen zu finden sind. Diese Daten wurden anschließend um zwei erst vor kurzem veröffentlichte Datensätze aus Untersuchungen von Oberflächenwasser sowie eines Biofilms von säurehaltigem Bergwerksickerwasser ergänzt. Erstmals konnte damit eine Vergleichsstudie des Lebens in vier unterschiedlichen Ökosystemen durchgeführt werden.

Aus den Genen der Proben erstellten die Forscher für jedes der analysierten Ökosysteme einen „funktionellen Fingerabdruck“, an dem sich erkennen ließ, dass die individuelle Anpassung der Bakteriengemeinschaften an ihre jeweiligen Umweltbedingungen sich in ihrem Genmaterial niederschlägt. Jedes Ökosystem wies eine spezifische Anreicherung mit bestimmten Genklassen auf. In der Bodenprobe beispielsweise waren die Gene von Enzymen, die pflanzliches Material zersetzen, verstärkt vertreten, im Oberflächenwasser hingegen photosynthetische Gene. Neben bereits bekannten Genen fanden die Forscher außerdem zahlreiche umweltspezifische Gene mit bislang ungeklärter Funktion. Anhand seiner Position im DNA-Fragment ließ sich die funktionelle Klasse eines Gens jedoch annähernd 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 Genomgröße bis zur Lebensweise erstrecken,“ resümiert Bork. Dieser metagenomische Ansatz könnte helfen, mehr über bislang weitgehend unerforschte Ökosysteme zu erfahren. So ließen sich auf diese Weise der Nährstoffanteil in Ackerböden oder der Grad der Meerwasserverschmutzung einschätzen. Ausgehend von den Daten könnten Forscher darüber hinaus die annähernde Anzahl aller auf unserem Planeten vertretenen Arten oder aber sämtlicher zellulären Prozesse bestimmen, die das Leben so komplex machen.

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Über EMBL:

Das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie ist ein Grundlagenforschungsinstitut, das mit öffentlichen Geldern aus 18 Mitgliedsländern finanziert wird – unter ihnen die meisten EU-Länder, die Schweiz und Israel. Die Forschung bei EMBL wird durch etwa 80 unabhängige Gruppen durchgeführt, die das Spektrum der Molekularbiologie abdecken. Das Laboratorium gliedert sich in fünf Einheiten: das Hauptlabor in Heidelberg sowie Außenstellen in Hinxton (das Europäische Institut für Bioinformatik), Grenoble, Hamburg und Monterotondo in der Nähe von Rom. Die Eckpfeiler von EMBLs Mission sind: Grundlagenforschung im Bereich der Molekularbiologie durchzuführen, Wissenschaftler, Studenten und Gäste auf jedem Niveau auszubilden, den Wissenschaftlern in den Mitgliedsstaaten zentrale Dienste anzubieten und neue Instrumente und Methoden für die Lebenswissenschaften zu entwickeln. An dem internationalen PhD-Programm von EMBL nehmen etwa 170 Studierende teil. Das Laboratorium fördert außerdem ein aktives Programm „Wissenschaft und Gesellschaft“. Besucher aus Presse- und Öffentlichkeit 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 über das AAAS Office of Public Programs erhältlich, Tel: 1-202-326-6440, scipak@aaas.org.


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