Wissenschaftler "beleben" steinzeitliche Moleküle aus alter DNA wieder.

Mikroben sind die größten Chemiker der Natur, und durch die Untersuchung der Genome alter Bakterien ist es möglicherweise möglich, neue Verwendungen für sehr alte Moleküle zu entdecken. 

In einer hoch interdisziplinären Studie rekonstruieren Wissenschaftler mikrobielle Naturprodukte bis zu 100.000 Jahre alt mit Hilfe von Zahnstein von Menschen und Neandertalern.

Durchbrüche in der Rekonstruktion von alten Genomen und Biotechnologie enthüllen nun die reichen molekularen Geheimnisse paläolithischer Mikroorganismen. In einer neuen Studie, veröffentlicht in Science, rekonstruierte ein transdisziplinäres Forscherteam, angeführt vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung, Infektionsbiologie, dem Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und der Harvard University, bakterielle Genome bisher unbekannter Bakterien, die bis ins Pleistozän zurückreichen. Anhand ihrer genetischen Profile haben sie eine Biotechnologie-Plattform aufgebaut, um die natürlichen Produkte der alten Bakterien wiederherzustellen.

Mithilfe von alter DNA haben Biochemiker Moleküle produziert 

Mikroben sind die größten Chemiker der Natur, und unter ihren Kreationen befinden sich eine große Anzahl der Antibiotika und anderen therapeutischen Medikamente der Welt. Die Produktion dieser komplizierten chemischen Naturprodukte ist nicht einfach, und Bakterien sind auf spezialisierte Arten von Genen angewiesen, die enzymatische Maschinerie codieren, um solche Chemikalien herzustellen. Derzeit ist die wissenschaftliche Untersuchung von mikrobiellen Naturprodukten weitgehend auf lebende Bakterien beschränkt, aber da Bakterien vor mehr als drei Milliarden Jahren die Erde bewohnt haben, gibt es eine enorme Vielfalt an vergangenen Naturprodukten mit therapeutischem Potenzial, die uns bisher unbekannt sind – bis jetzt.

„In dieser Studie haben wir einen wichtigen Meilenstein erreicht, um die umfangreiche genetische und chemische Vielfalt unserer mikrobiellen Vergangenheit aufzudecken“, sagt Christina Warinner, Ko-Senior Autorin der Studie, Associate Professor für Anthropologie an der Harvard University, Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und Affiliate-Gruppenleiterin am Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Leibniz-HKI). „Unser Ziel ist es, einen Weg zur Entdeckung alter Naturprodukte zu finden und ihre potenziellen zukünftigen Anwendungen bekannt zu machen“, fügt der Ko-Senior-Autor Pierre Stallforth hinzu, Professor für Bioorganische Chemie und Paleobiotechnologie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und Leiter der Abteilung für Paleobiotechnologie am Leibniz-HKI.

Zahnstein (Zahnbelag) konserviert DNA über Jahrtausende hinweg und liefert bisher unerreichte Informationen über die Biodiversität und funktionellen Fähigkeiten von alten Mikroben. Kredit: Werner Siemens Stiftung, Felix Wey

Wenn ein Organismus stirbt, zersetzt sich seine DNA schnell und fragmentiert in eine Vielzahl von winzigen Stücken. Einige dieser DNA-Fragmente können von Wissenschaftlern identifiziert werden, indem sie sie mit Datenbanken abgleichen, aber seit Jahren haben sich mikrobielle Archäologen mit der Tatsache herumgeschlagen, dass die meisten alten DNA-Fragmente heute nicht zugeordnet werden können. Dieses Problem hat Wissenschaftler lange Zeit geplagt, aber in jüngerer Zeit machen Fortschritte in der Computer-Technologie es nun möglich, die DNA-Fragmente neu zusammenzufügen – ähnlich wie bei einem Puzzle – um unbekannte Gene und Genome zu rekonstruieren. Das einzige Problem ist, dass dies bei hochgradig degenerierter und extrem kurzer alter DNA aus dem Pleistozän nicht sehr gut funktioniert.

Die Bewertung und Rekonstruktion von degenerierter DNA ist eine enorme bioinformatische Herausforderung. 

„Wir mussten unseren Ansatz vollständig überdenken“, sagt Alexander Hübner, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie und Ko-Leitautor der Studie. Drei Jahre lang haben sie getestet und optimiert, bis Hübner sagt, dass sie einen Durchbruch erreicht haben, indem sie DNA-Fragmente rekonstruiert haben, die mehr als 100.000 Basenpaare lang sind, und die Wiederherstellung einer Vielzahl von alten Genen und Genomen. „Wir können nun mit Milliarden von unbekannten, alten DNA-Fragmenten beginnen und sie systematisch in längst verlorene bakterielle Genome des Eiszeitalters ordnen.“

Das Team konzentrierte sich auf die Rekonstruktion bakterieller Genome, die in Zahnstein, auch als Zahnbelag bekannt, von 12 Neandertalern stammen, die auf ca. 102.000-40.000 Jahre datiert sind, 34 archäologischen Menschen, die auf ca. 30.000-150 Jahre datiert sind, und 18 heutigen Menschen. Zahnstein ist der einzige Teil des Körpers, der während des Lebens routinemäßig versteinert und lebenden Zahnbelag in ein Grab von mineralisierten Bakterien verwandelt. Die Forscher rekonstruierten zahlreiche orale Bakterienarten sowie andere exotische Arten, deren Genome bisher nicht beschrieben worden waren.

Eingang zur Höhle El Mirón in Spanien, wo Überreste von "Red Lady", einem Menschen von vor 18.800 Jahren gefunden wurden. 

Among these was an unknown member of Chlorobium, whose highly damaged DNA showed the hallmarks of advanced age, and which was found in the dental calculus of seven Paleolithic humans and Neanderthals. All seven Chlorobium genomes were found to contain a biosynthetic gene cluster of unknown function. “The dental calculus of the 19,000-year-old Red Lady of El Mirón, Spain yielded a particularly well-preserved Chlorobium genome,” says Anan Ibrahim, postdoctoral researcher at the Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology and co-lead author of the study. “Having discovered these enigmatic ancient genes, we wanted to take them to the lab to find out what they make”.

The team used the tools of synthetic molecular biotechnology to allow living bacteria to produce the chemicals encoded by the ancient genes. This was the first time this approach had been successfully applied to ancient bacteria, and it resulted in the discovery of a new family of microbial natural products that the researchers named “paleofurans.” “This is the first step towards accessing the hidden chemical diversity of earth’s past microbes, and it adds an exciting new time dimension to natural product discovery,” says Martin Klapper, postdoctoral researcher at the Leibniz Institute of Natural Product Research and Infection Biology and co-lead author of the study.

Collaboration between the fields of paleogenomics and chemistry is ushering in a new field of study: paleobiotechnology. 

The success of the study is the direct outcome of an ambitious collaboration between archeologists, bioinformaticians, molecular biologists, and chemists to overcome technological and disciplinary barriers and break new scientific ground. “With funding from the Werner Siemens Foundation, we set out to build bridges between the humanities and natural sciences,” says Pierre Stallforth. “By working collaboratively, we were able to develop the technologies needed to recreate molecules produced a hundred thousand years ago ,” says Christina Warinner. Looking towards the future, the team hopes to use the technique to find new antibiotics.