Einfach erklärt
Im gefrorenen Boden der Arktis finden Forschende Spuren winziger Lebewesen aus längst vergangenen Zeiten. Vielleicht verraten diese Spuren, wie sich neue Medikamente herstellen lassen – sicher ist das aber nicht, und der Weg dorthin ist lang und teuer. Wenn dabei etwas Wertvolles entsteht, müssen auch die indigenen Gemeinschaften fair beteiligt werden.
Tief unter der kanadischen Tundra, wo der Dauerfrost fast alles aktive Leben zum Erliegen bringt, suchen Forschende nach Erbgutspuren früherer Mikroorganismen. Sie wollen nicht einfach ein fertiges Medikament aus dem Eis holen. Stattdessen lesen sie biologische Informationen aus Boden und Wasser aus und prüfen, ob sich daraus nützliche Moleküle ableiten lassen. Das könnte neue Wege bei der Suche nach Antibiotika eröffnen – wirft aber auch praktische und ethische Fragen auf, die ebenso wichtig sind wie die wissenschaftlichen Ergebnisse.
Was kann gefrorener Boden bewahren?
In Permafrostproben und arktischen Ablagerungen steckt Erbgut, das sich über lange Zeit angesammelt hat. Ein Teil davon ist durch das Alter beschädigt; das Bild, das Forschende daraus gewinnen, ist deshalb nicht immer vollständig oder unversehrt. Dennoch können schon Bruchstücke des Erbguts Hinweise auf Organismen liefern, die heute nicht mehr vorkommen oder der Wissenschaft bislang kaum bekannt sind.
Srijak Bhatnagar, der an der Athabasca University eine Forschungsgruppe für Bioinformatik und Umweltmikrobiologie leitet, beschreibt solche Proben als historisches Archiv des mikroskopischen Lebens. Sein Team hat über mehrere Jahre Umwelt-Erbgut aus Gewässern der kanadischen Arktis gesammelt. Die Proben könnten zeigen, welche Organismen sich an extreme Kälte angepasst haben – oder Hinweise auf alte Arten enthalten, die bei üblichen Untersuchungen unentdeckt bleiben.
Eine Erbgutspur bedeutet allerdings nicht, dass sich darin ein lebender, vermehrungsfähiger Organismus oder ein fertiger Wirkstoff findet. Zunächst müssen die Forschenden die Informationen in der Probe untersuchen und Gene ausfindig machen, die möglicherweise an der Herstellung eines bestimmten Moleküls beteiligt sind. Anschließend müssen sie diese Vermutung überprüfen. Der Weg führt also vom Lesen eines beschädigten molekularen Archivs über das Verständnis der Genfunktion bis hin zur Herstellung und Prüfung des jeweiligen Stoffes.
Auf der Suche nach Genen, die im Labor unsichtbar bleiben
Lange war es schwierig, Mikroorganismen im Labor zu kultivieren – und damit auch ihre Erzeugnisse zu entdecken. Einer Schätzung zufolge ließen sich rund 99 Prozent der Mikroben aus der Umwelt mit herkömmlichen Labormethoden nicht züchten. Wenn ein Organismus in einer Kulturschale nicht wächst, können Forschende kaum direkt beobachten, welche Stoffe er produziert oder welche chemischen Prozesse in ihm ablaufen. Große Teile der mikrobiellen Vielfalt blieben so mit den üblichen Methoden unerreichbar.
Umweltproben genetisch zu analysieren und DNA einzelner Zellen zu sequenzieren, hilft dabei, dieses Hindernis teilweise zu überwinden. Statt darauf zu warten, dass ein Mikroorganismus wächst, können Forschende sein Erbgut direkt aus einer Probe gewinnen und am Computer untersuchen. So versuchen sie, sein Genom zu rekonstruieren. Anschließend suchen sie nach Gruppen von Genen, die vermutlich zusammenarbeiten, um einen Naturstoff herzustellen. Solche Gruppen heißen biosynthetische Gencluster.
Justin Nodwells Labor an der University of Toronto überträgt diese Gencluster in Bakterien der Gattung Streptomyces. Mithilfe der synthetischen Biologie sollen die Bakterien dazu gebracht werden, bestimmte Stoffe herzustellen. Ein im Labor gut handhabbarer Wirtsorganismus könnte dabei die genetischen Anweisungen eines anderen Mikroorganismus auslesen – selbst wenn sich dieser ursprüngliche Organismus nicht kultivieren lässt. Mit diesem Ansatz könnten Forschende Gene untersuchen, die unter normalen Wachstumsbedingungen inaktiv bleiben, und vielleicht Naturstoffe herstellen, die bislang nicht zugänglich waren.
Vom Erbgut zum Wirkstoff: ein langer und teurer Weg
Ein interessanter Gencluster führt nicht automatisch zu einem Medikament. Manche dieser Cluster sind riesig und können etwa 100.000 Basenpaare umfassen. Eine solche Menge DNA herzustellen oder zusammenzusetzen, kostet viel Arbeit und Geld. Auch die schrittweise Vervielfältigung erfordert zahlreiche Laborexperimente. Jedes Projekt wird dadurch zu einer technischen und finanziellen Herausforderung.
Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, die Grenzen eines Genclusters zu bestimmen. Manche Gene lassen sich klar mit der Herstellung eines Moleküls in Verbindung bringen, bei benachbarten Genen ist das jedoch oft ungewiss: Wirken sie an der Produktion mit oder erfüllen sie eine andere Aufgabe? Ist der chemische Herstellungsweg des Moleküls unbekannt, fällt es schwer zu entscheiden, welche Gene übertragen werden sollten. Dann müssen Forschende Computeranalysen mit Experimenten kombinieren und womöglich mehrere Ansätze testen, bevor sie die passende Genkombination finden.
Auch die Übertragung von Erbgut aus einem kälteangepassten Mikroorganismus in einen Laborwirt, der wärmere Bedingungen gewohnt ist, gelingt nicht zwangsläufig. Gene, die in ihrer ursprünglichen Umgebung funktionieren, können sich in einem anderen Organismus anders verhalten oder ganz inaktiv bleiben. Deshalb muss der Gencluster oft angepasst und wiederholt getestet werden. Allein die passenden Gene zu finden, garantiert noch nicht, dass der gewünschte Stoff entsteht.
Führen Spuren aus der Arktis zu neuen Medikamenten?
Die Suche in wenig erforschten Lebensräumen weckt die Hoffnung, Stoffe zu entdecken, die sich von bereits vielfach untersuchten Substanzen unterscheiden. Der spezialisierte Stoffwechsel von Mikroorganismen hat schon eine Reihe medizinisch genutzter Wirkstoffe hervorgebracht, darunter die Krebsmedikamente Doxorubicin und Rapamycin. Solche Beispiele werfen die Frage auf, was eine abgeschiedene und lebensfeindliche Umgebung wie die Arktis zutage fördern könnte – mit ihren Organismen, die sich an außergewöhnliche Bedingungen angepasst haben.
Die Forschenden erwarten jedoch nicht, dass jedes neu entdeckte Gen zu einer Behandlung führt oder jeder Naturstoff als Medikament taugt. Bei der Suche in neuen Lebensräumen stoßen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler häufig auf bereits bekannte Stoffe. Dieses Problem wird manchmal als wiederholte Entdeckung bezeichnet. Deshalb muss zunächst geklärt werden, ob ein Stoff aus einer Probe tatsächlich neu ist. Und selbst wenn er neu ist, muss noch untersucht werden, wie er wirkt und ob er sich in ausreichender Menge herstellen lässt, bevor von einem medizinischen Nutzen die Rede sein kann.
Der Wert der Arktisforschung bemisst sich daher nicht allein daran, wie schnell neue Medikamente entstehen. Sie erweitert auch unser Wissen über die Vielfalt der Mikroorganismen und darüber, wie diese Stoffe herstellen. Am Ende könnte ein vielversprechendes Molekül stehen, aber ebenso ein neuer genetischer Einblick oder eine Erkenntnis über die Grenzen heutiger Analyse- und Herstellungsmethoden. Die Forschenden warnen vor überzogenen Erwartungen: Von einem auffälligen Datensatz bis zu einem verfügbaren Medikament sind viele Schritte nötig, die sich nicht abkürzen lassen.
Wem gehört das Wissen aus der Arktis?
Die Fragen enden nicht im Labor und bei den Kosten. Werden genetische Daten in öffentlich zugänglichen Datenbanken veröffentlicht, können Forschende und Unternehmen aus aller Welt sie untersuchen. Bhatnagar warnt davor, dass ein kommerzieller Anbieter außerhalb Kanadas solche Daten nutzen und daraus ein wertvolles Produkt entwickeln könnte, während die Gemeinschaften, mit denen die Ressourcen oder das Wissen verbunden sind, leer ausgehen.
Besonders wichtig ist das für die indigenen Völker der kanadischen Arktis. Ihr traditionelles Wissen über Pflanzen, Heilmittel und die Umwelt ist Teil eines überlieferten kulturellen Erbes und lässt sich nicht einfach von den Menschen trennen, die es bewahrt haben. Der Artikel weist darauf hin, dass Kanada dem Nagoya-Protokoll über den Zugang zu genetischen Ressourcen und die gerechte Aufteilung der daraus entstehenden Vorteile nicht beigetreten ist. Das wirft die Frage auf, wie die biologischen und kulturellen Rechte dieser Gemeinschaften geschützt werden können.
Erfahrungen aus anderen Regionen mahnen zur Vorsicht: Traditionelles Wissen wurde gesammelt, daraus wurden Stoffe isoliert und anschließend kommerzielle Schutzrechte beantragt – ohne die Gemeinschaften, die dieses Wissen über lange Zeit bewahrt und genutzt hatten, angemessen einzubeziehen. Proben zu sammeln und genetische Sequenzen zu veröffentlichen, ist deshalb keine rein technische Angelegenheit. Von Anfang an muss geklärt werden, woher das Wissen stammt, wer seiner Nutzung zustimmt und wer an den daraus entstehenden Vorteilen teilhat. Damit sollte man nicht erst beginnen, wenn ein Projekt erfolgreich ist.
Fazit
Der gefrorene Boden der Arktis eröffnet einen Blick auf vergangenes mikroskopisches Leben. Die Gene darin könnten chemische Herstellungswege verraten, die künftig bei der Suche nach Antibiotika oder anderen medizinischen Wirkstoffen helfen. Doch bis daraus ein Medikament wird, müssen Forschende viele Hürden überwinden: Sie müssen altes Erbgut entschlüsseln, passende Gene in einem geeigneten Wirtsorganismus aktivieren, große und kostspielige Gencluster zusammenbauen und prüfen, ob der entstehende Stoff neu und brauchbar ist. Gleichzeitig müssen die Rechte indigener Gemeinschaften respektiert und Vorteile gerecht geteilt werden. Der Erfolg dieser Forschung hängt also nicht nur davon ab, was sich aus dem Boden gewinnen lässt, sondern auch davon, wie fair dabei vorgegangen wird.