Antibiotika aus der Steinzeit
Deutsche Forschende haben aus uralten DNA-Fragmenten das Genom ausgestorbener, prähistorischer Bakterien rekonstruiert – und mit dessen Hilfe bisher unbekannte Naturstoffe hergestellt. Ist das der Durchbruch im Kampf gegen resistente Keime?
Anhand Jahrtausende alter DNA ist es Biochemikern gelungen, bisher unbekannte Naturstoffe – die Paläofurane (hier in Pulverform) – herzustellen.
Naturstoffe – also organisch-chemische Verbindungen, die Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen produzieren – werden seit Jahrtausenden zu medizinischen Zwecken genutzt. Antike Aufzeichnung belegen zum Beispiel, dass schon die Alten Griechen Weidenrinde zur Behandlung von Schmerzen und Fieber einsetzten. Ihr Wirkstoff Salicylsäure bildet die Basis des erfolgreichsten Medikaments aller Zeiten: Aspirin.
Eine andere Gruppe von Naturstoffen ist medizinisch besonders wichtig und hat schon viele Leben gerettet: Antibiotika. Doch mit der Zeit entwickeln Bakterien, die mit ihnen bekämpft werden sollen, Resistenzen gegen die Stoffe. Sie verlieren ihre Wirksamkeit – mit zunehmender Geschwindigkeit. Die weltweite Naturstoffforschung sucht darum unter Hochdruck nach neuen Antibiotika. Doch die Zahl moderner, lebender Bakterien, die im Fokus dieser Forschung stehen, ist begrenzt.
Ganz neue Möglichkeiten könnte ein Durchbruch in der Forschung eröffnen, den ein wissenschaftliches Team des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI) und des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie (MPI-EVA) verzeichnet hat. Mithilfe von Zehntausende Jahre alter DNA haben die Forschenden das Genom einer bisher unbekannten, ausgestorbenen Bakteriengruppe entschlüsselt – und damit steinzeitliche Naturstoffe hergestellt. Wie genau das gelungen ist, beschreiben sie in ihrer Studie, die in der Zeitschrift Science erschienen ist.
Vom Zahnstein zum Steinzeit-Genom
Die bakterielle DNA, die der Arbeit des Studienteams als Grundlage diente, stammt aus dem zwischen 100.000 und 150 Jahre alten Zahnstein von Neandertalern und Menschen. Zahnstein ist der einzige Bestandteil des menschlichen Körpers, der im Laufe des Lebens versteinert, wodurch eine Schicht aus mineralisierten, abgestorbenen Bakterien entsteht. Nach dem Tod zerfällt die DNA eines Organismus schnell – das gilt auch für die Bakterien im Zahnstein. Zurück bleiben stark abgebaute, extrem kurze Fragmente. Diese bildeten den Ausgangspunkt der Forschung des Studienteams.
„Die große bioinformatische Herausforderung lag darin, Fehler in der abgebauten DNA zu beheben und Verunreinigungen, zum Beispiel durch jüngere DNA, auszuschließen“, sagt Erstautorin Anan Ibrahim, Postdoktorandin am Leibniz-HKI.
Prähistorischer Zahnstein bildete die Grundlage für die Forschung des Studienteams, dessen Mitglieder aus verschiedenen Fachrichtungen – darunter Paläogenomik und Chemie – stammen. Das im Zuge der Studie neu entstandene Forschungsgebiet trägt den Namen Paläobiotechnologie.
Drei Jahre Arbeit waren nötig, bis die Forschenden aus den winzigen Bruchstücken DNA-Abschnitte rekonstruiert hatten, die lang genug waren, um Gene und Genome zahlreicher Steinzeitbakterien wiederherzustellen. Dabei fand das Forschungsteam viele Bakterien, die bis heute in der menschlichen Mundflora zu finden sind.
Im Zahnstein von sieben steinzeitlichen Menschen und Neandertalern stießen sie aber auch auf ein bisher unbekanntes Mitglied der Gattung Chlorobium. Ein besonders gut erhaltenes Genom dieser grünen Schwefelbakterien rekonstruierten sie aus dem Zahnstein der „Roten Dame von El Mirón“, deren etwa 19.000 Jahre altes Skelett im Jahr 2010 in einer Höhle in Spanien gefunden wurde.
Paläofurane: Naturstoff aus der Vergangenheit
Doch mit der Wiederherstellung der Genome war die Arbeit der Forschenden noch nicht getan. „Nachdem wir diese rätselhaften alten Gene entdeckt hatten, wollten wir herausfinden, was sie bewirken“, sagt Ibrahim.
Um das zu erreichen, baute das Team mithilfe modernster Biotechnologie die Steinzeitgene in lebende Bakterien ein – und beobachtete Sensationelles: Die genetisch manipulierten Bakterien begannen mit der Bildung funktionaler Enzyme. Diese produzierten wiederum eine neue Familie mikrobieller Naturstoffe, denen die Forschenden den Namen Paläofurane gaben. „Es ist uns erstmals gelungen, Substanzen neu herzustellen, die vor hunderttausend Jahren von Bakterien produziert wurden“, sagt Pierre Stallforth, Chemiker und Abteilungsleiter am Leibniz-HKI.
Seit über drei Milliarden Jahren besiedeln Bakterien die Erde. Der Pool an Arten, die mittlerweile ausgestorben sind und für die Forschung bisher nicht nutzbar waren, ist enorm – ebenso ihr therapeutisches Potential. „Das ist der erste Schritt, um die verborgene chemische Vielfalt der Mikroben der Erdgeschichte zu erschließen“, sagt Martin Klapper, einer der Erstautoren der Studie und Postdoktorand am Leibniz-HKI.
Der Forschungserfolg wurde durch den Aufbau eines völlig neuen Forschungsbereichs ermöglicht: die Paläobiotechnologie, in der Archäologie, Bioinformatik, Molekularbiologie und Chemie fächerübergreifend zusammenarbeiten. Die Suche nach neuen Naturstoffen könnte nun, basierend auf den Erkenntnissen aus der Studie, auch auf ausgestorbene Bakterien ausgeweitet werden. Auf diese Weise wäre die Entwicklung von Antibiotika möglich, gegen die im besten Fall noch keine Resistenzen bestehen – ein wichtiger Schritt im Wettlauf gegen infektiöse Keime.
