Neue Gene im Überfluss

Was haben so unterschiedliche Themen wie die Evolution von Gräsern oder die Entstehung von Magenkrebs gemein? Sie begeistern Forscher der Systembiologie. Ihr interdisziplinäres Vorgehen revolutioniert derzeit die Biologie.

Ruth Jahn

Christian von Mering analysiert – wie viele seiner Kollegen – das Erbgut von Bakterien. Der Forschungsansatz des Bioinformatikers aber ist spannend und neuartig. Die Universität Zürich hat den 35-jährigen Deutschen deshalb vor kurzen im Rahmen des Universitären Forschungsschwerpunkts (UFSP) Systembiologie/ Funktionelle Genomik für eine Assistenzprofessur ans Institut für Molekularbiologie geholt.

Von Mering und sein fünfköpfiges Team nehmen keines der längst bekannten Modellbakterien unter die Lupe, sondern ganze Artengemeinschaften bisher unbekannter Mikroben. Dieser Forschungsansatz geht auf eine Idee des amerikanischen Genforschers Craig Venter zurück, der durch die Entschlüsselung des menschlichen Genoms zu Weltbekanntheit gelangt ist. Nach seinem Riesenprojekt hatte Venter 2004 erstmals Umweltproben in seine Sequenziermaschinen eingespeist und analysieren lassen, zunächst ein Filtrat aus der Sargasso-See vor der Küste der Bermuda-Inseln.

Ungeahnte Vielfalt: Ein Krümel Ackerboden enthält Tausende von Bakterienarten und Hunderttausende von Genen. (Bild: Meinrad Schade)

Während der Altmeister der Genomik mit Wasserproben aus den Weltmeeren laboriert, widmet sich Christian von Merings Gruppe dem Ackerboden, dem Biofilm auf dem Abwasser von Eisenerzminen oder der hochspezialisierten Bakteriengemeinschaft auf Wal-Kadavern. «Wir nutzen bei unserer Forschung dieselben Methoden wie beim Sequenzieren des Genoms der Taufliege, der Bäckerhefe oder des Menschen: Nur untersuchen wir nicht einen Organismus auf seine Gene hin, sondern auf einen Schlag gleich eine ganze Gemeinschaft », sagt von Mering.

Unterschätzte Biodiversität der Mikroben

In einem Krümel Boden hat der Forscher Tausende Bakterienarten und Hunderttausende von Genen ausgemacht. Da ist eine stattliche Anzahl Gene ans Tageslicht gekommen und eine bisher gänzlich unbekannte und unterschätzte mikrobielle Biodiversität. Zum Vergleich: Der Mensch verfügt über höchstens 30 000 Gene.

«Bisher konnten wir das Gros der Bodenbakterien einzig als kleine Partikel im Mikroskop bewundern, molekular waren wir schon am Ende mit unserem Latein», erinnert sich von Mering. Mit Hilfe der Metagenomik, wie sich das Erforschen der Gene ganzer Gemeinschaften nennt, können die Wissenschaftler nun eine Gesamtschau der Bakterien vornehmen: «Zwar handelt es sich um ein wildes Gemisch, von dem wir oft nicht wissen, welches Gen von welcher Art stammt», schränkt von Mering ein, «dafür erhalten wir den genetischen Fingerabdruck eines Lebensraums.»

Dabei werden Informationen gewonnen, etwa über die Spezialisierung der in einem Biotop vorkommenden Bakterien und über deren Zusammenleben: In Meeresproben finden sich viele Gene für die Photosynthese, in Bodenproben solche für Enzyme, die pflanzliches Material zersetzen oder Schadstoffe abbauen. Im Bergwerksickerwasser suchen die Forscher nach genetischen Grundlagen für Säuretoleranz und die Wal-Skelette können den Wissenschaftlern Hinweise darauf geben, wie sich innerhalb weniger Jahre Artengemeinschaften ausbilden können.

Unverfälschtes Bild eines Lebensraumes

«Gut die Hälfte der Gene in den Umweltproben sind zudem Gene, von denen wir nicht wissen, welche Aufgaben sie erfüllen», so der Bioinformatiker. Gene, die noch kein Forscher je zu Gesicht bekommen hat. Denn mit der Metagenomik wird endlich das vielleicht grösste Problem der Mikrobiologie elegant umgangen: Abgesehen von Modellbakterien wie Escherichia coli und andern verweigern sich 99 Prozent aller Bakterienarten im Labor: Das heisst, sie lassen sich in keiner der vielen bekannten Nährlösungen züchten, sondern sterben rasch ab.

Christian von Mering und seine Kollegen untersuchen ganze Lebensräume auf ihre genetische Zusammensetzung. (Bild: Meinrad Schade)

Christian von Merings Bakterien dagegen müssen, ja sollen gar nicht wachsen, sondern ein möglichst unverfälschtes Bild des Bakterienkollektivs eines Lebensraums vermitteln. So können die Forscher Neues über unerforschte Ökosysteme erfahren. Zudem könnten sie so auch Organismen aufspüren, die Treibhausgase aus der Luft filtern, Ölteppiche verdauen oder sich für die Energiegewinnung nutzen lassen. Und bei Krankheitserregern eröffnen die Informationen über das Erbgut der Bakteriengemeinschaften zudem möglicherweise neue Therapieansätze in der Medizin, beispielsweise neuartige Antibiotika.

Dem Magenkrebs auf der Spur

Seit dem Start des UFSP Systembiologie/ Funktionelle Genomik 2004 haben neben von Mering drei weitere Assistenzprofessoren ihre Arbeit aufgenommen: Die deutsche Biologin Anne Müller untersucht Veränderungen in der Magenschleimhaut, die mit der chronischen Infektion durch das Magenkrebs-Bakterium Helicobacter pylori einhergehen. Mit ihrer Forschung will Anne Müller unter anderem neue Biomarker für Magenkrebs finden.

Der japanische Evolutionsbiologe Kentaro Shimizu versucht mittels Genomvergleichen die Evolution von Pflanzen nachzuvollziehen. Während sein Kollege, der aus Ungarn stammende Mediziner und Biochemiker Attila Becskei, sich den Hefen widmet. Becskei verwendet mathematische Modelle, die dann experimentell gestestet werden – unter anderem um herauszufinden, inwieweit die Differenzierung von Zellen Zufall ist oder ein vorherbestimmter Prozess.

Ganze Systeme im Blick

Den vier Jungforschern gemeinsam ist das systemische Vorgehen. Am neuen Fach wirken nicht nur Biologen, sondern auch Informatikerinnen, Chemiker, Physikerinnen oder Mathematiker mit. Sie untersuchen nun ganze Systeme wie etwa Zellen, Organe, Stoffwechselprozesse, Organismen oder – wie in der Metagenomik – Artengemeinschaften. «Die Systembiologie untersucht das Wechselspiel aller am System beteiligten Komponenten wie Gene, Eiweisse, Metaboliten und so weiter», erläutert Josef Jiricny, der Leiter des Forschungsschwerpunkts. Besonders interessant ist die Funktion der Gene. Im einen Fall handelt es sich dabei um Gene in den Zellen der Magenschleimhaut, im andern um solche in einem Grashalm, einer sich teilenden Hefezelle oder einem Krümel Boden.

 

Universitärer Forschungs- Schwerpunkt «Systembiologie/ Funktionelle Genomik» Finanzierung: Universität Zürich Zusammenarbeit: Functional Genomics Center Zürich, ETH Zürich, Stamford University Verantwortlich: Prof. Josef Jiricny, Institut für Molekulare Krebsforschung der Universität Zürich

Ruth Jahn ist Journalistin

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