Mit einer neuen Technik ist es Wissenschaftlern der University of California, des J. Craig Venter Institute und der Firma Illumina Inc. in San Diego, Kalifornien, gelungen, aus dem Erbmaterial einer einzigen Bakterienzelle mehr als 90 Prozent der enthaltenen Gene zu sequenzieren, berichtet das Magazin Nature Biotechnology. Bisher brauchte man etwa eine Milliarde Bakterienzellen als Ausgangsmaterial um etwa 95 Prozent von deren Genen zu sequenzieren, oder aber man begann mit einer einzigen Zelle und musste sich damit zufrieden geben, lediglich 70 Prozent der Erbinformationen zu erfassen. In einer Pressemitteilung wird dieser technische Fortschritt als „Durchbruch“ gelobt, mit dem es nun möglich sei, die „Dunkle Materie des Lebens“ zu erfassen.
Mit solch einem Mikromanipulator können Forscher einzelne Bakterien isolieren (Foto: Roger Lasken)
Dieses Wortspiel zielt darauf ab, dass der Großteil aller Lebewesen auf der Erde vermutlich ebenso verborgen und unentdeckt ist, wie die „Dunkle Materie“ im Universum, die nach Modellrechnungen zwar da sein müsste, aber nicht direkt beobachtet werden kann. Nur einen kleinen Bruchteil aller Bakterien und anderer Mikroorganismen können Forscher unter Laborbedingungen nämlich in Reinkultur vermehren – eben dies aber wäre die Voraussetzung, um genug Erbmaterial zur Sequenzierung mit herkömmlichen Methoden zu gewinnen. Eine Alternative besteht darin, unter dem Mikroskop ein einziges Bakterium mit einer feinen Glaskanüle heraus zu picken und dessen Erbgut mittels „Multiple Displacement Amplification“ (MDA) zu vervielfältigen. Bei dieser Technik wiederum fallen jede Menge „Genschnipsel“ an, die teilweise auch noch durch Kopierfehler gegenüber dem Ausgangsmaterial verfälscht sind. Mit einem neuen Rechenweg (Algorithmus), den der Computerwissenschaftler Pavel Pevzner erfunden hat, konnten die Forscher die Genauigkeit der MDA-Technik nun entscheidend verbessern.
Den Beweis erbrachten sie, indem sie ein einzelnes Escherichia coli-Bakterium sequenzierten und das Ergebnis mit der bereits bekannten Reihenfolge der Erbgutbausteine bei diesem Organismus verglichen. Immerhin 91 Prozent aller bekannten Gene von E. coli hatte man mit der verbesserten Variante der MDA gefunden, ergab dieser Vergleich. Als nächstes wandten die Wissenschaftler ihre Technik auf ein bislang unerforschtes Bakterium mit der Bezeichnung SAR324 an, das man vor Ort aus dem Pazifik gefischt hatte und das man Dank der neuen Analysemethode in die Klasse der weltweit verbreiteten Deltaproteobakterien einordnen konnte. Ein Vergleich mit bereits bekannten Gendaten anderer Organismen, die in öffentlichen Datenbanken gespeichert sind, enthüllte dann als nächsten Verwandten von SAR324 die Mikrobe Pleocystis pacifica und die Forscher kamen außerdem einigen Besonderheiten in der Enzymausstattung von SAR324 auf die Schliche. Als nächstes will das Team um Pevzner und den Erfinder der MDA-Technik, Professor Roger Lasken, den Algorithmus für die Genanalyse weiter verfeinern. Mehrere Hundert Röhrchen mit noch unbekannten Bakterien, die Lasken in seinem Labor gehortet hat, könnten dann schon bald ihre Geheimnisse offenbaren.
Originalartikel: Chitsaz H. et al. Efficient de novo assembly of single-cell bacterial genomes from short-read data sets. Nature Biotechnology (2011) doi:10.1038/nbt.1966
Pressemitteilung (engl.): Researchers sequence dark matter of life