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Artenschutz dank Protein-Profil

20.12.2013
Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Analytische Wissenschaften (ISAS) in Dortmund planen, eine völlig neue Methode zur Klassifizierung von Tier- und Pflanzenarten zu entwickeln: Anstatt die Gene zur Einordnung der Art heranzuziehen, wollen sie ein spezifisches Protein-Profil erstellen, aus dem sich die Verwandtschaftsverhältnisse ableiten lassen.

Dazu haben sie ein gemeinsames Projekt mit dem Biodiversität und Klima Forschungszentrum (BiK-F) der Senckenberg Gesellschaft, dem Leibniz-Zentrum für Marine Tropenökologie (ZMT) und der TU Dortmund initiiert, das von der Leibniz-Gemeinschaft mit 1,2 Millionen Euro gefördert wird.

Benötigt wird die neue Methode vor allem aus drei Gründen: Erstens sorgen massive Eingriffe des Menschen in die Natur dafür, dass die biologische Vielfalt (Biodiversität) seit Jahrzehnten stark zurückgeht. So geraten ganze Ökosysteme aus dem Gleichgewicht und rauben den Menschen die Lebensgrundlage: Wir gewinnen Trinkwasser, Nahrungsmittel, Baumaterialien und medizinische Wirkstoffe aus der Natur und sind abhängig von intakten Böden und einem funktionierenden Klima. Der globale ökonomische Wert dieser Leistungen wird auf mehrere Billionen Euro geschätzt.

Zweitens kämpfen Biodiversitätsforscher mit einem großen Problem: Eigentlich wissen sie gar nicht so genau, wie viele und welche Arten überhaupt existieren. Vermutlich sind erst zehn Prozent aller Spezies auf der Erde überhaupt wissenschaftlich beschrieben. Noch dazu ist der Begriff „Art“ nur schwer zu definieren: Neue Arten entstehen nicht plötzlich, sondern graduell, etwa wenn sich einzelne Gruppen derselben Art in unterschiedlichen Lebensräumen allmählich in verschiedene Richtungen entwickeln. Entsprechend schwierig ist es für Biodiversitätsforscher, die ganze Komplexität eines Ökosystems zu erfassen und effektive Maßnahmen zum Schutz der Arten zu entwickeln.

Drittens hat die seit Jahren dominierende Klassifizierungsmethode auf Genombasis – das so genannte DNA-Barcoding (s. unten) – zwar viele Vor-, aber auch einige gravierende Nachteile. So können manche Mutationen etwa das untersuchte Markergen so stark verändern, dass zwei Arten als „entfernt verwandt“ eingestuft werden, obwohl sie sich nur an einzelnen Stellen im Erbgut unterscheiden (Änderung des „Leserasters“ im genetischen Code). Außerdem können immer wieder Kopien eines Markergens – so genannte Pseudogene – entstehen, die unbenutzt im Zellkern schlummern, jedoch beim Barcoding erfasst werden und dann falsche Ergebnisse liefern. Zusätzlich leben alle Pflanzen und Tiere in einer Symbiose mit Mikroorganismen, deren Genprofile ebenfalls die Ergebnisse verfälschen können. Ein weiteres Problem stellt die Tatsache dar, dass Markergene nicht bei allen Arten demselben Selektionsdruck unterliegen: Wenn ein solches Gen bei einer Spezies eine bestimmte Funktion erfüllt, werden Mutationen eventuell nicht so leicht toleriert wie bei anderen Arten.

Um einige dieser Probleme zu umgehen, wollen die ISAS-Wissenschaftler und ihre Kooperationspartner zukünftig statt eines Markergens die Proteinzusammensetzung von Organismen prüfen. Benötigt wird dafür zunächst ein geeignetes Protein-Profil: ein Set verschiedener Proteine, die möglichst unabhängig von Umwelteinflüssen sind und sich zwischen den Arten hinreichend unterscheiden. Zusätzlich erlaubt die Methode einen Rückschluss von der Zusammensetzung der Proteine auf die Zusammensetzung der DNA, da diese den „Bauplan“ für Proteine darstellt. Ein gründlich analysiertes Proteinprofil kann somit helfen, aus einem Wust von DNA-Daten die dazu passende Sequenz zu finden und einem Organismus zuzuordnen.

Als Ersatz für das DNA-Barcoding sehen die Forscher ihre neue Methode allerdings nicht: Sie glauben vielmehr, dass sich beide Ansätze ideal ergänzen und zu einer schnelleren, zuverlässigeren Klassifizierung führen werden. Eine solche Erweiterung der verfügbaren Methoden habe das Forschungsgebiet dringend nötig, schreiben sie im Projektantrag.

Eine ganz entscheidende Rolle bei der Entwicklung der neuen Methode spielt die enge Kooperation der beteiligten Institute: „Keiner der Projektpartner wäre in der Lage, ein solches Projekt alleine durchzuführen“, meint Albert Sickmann, Vorstandsvorsitzender des ISAS. „Erst die ungewöhnliche Kombination völlig verschiedener Fachgebiete ermöglicht es uns, ganz neue Entwicklungen anzustoßen.“ Das ISAS zum Beispiel verfügt über umfassende Kenntnisse auf dem Gebiet der Proteinanalyse, während die Kollegen vom BiK-F und vom ZMT ihre Erfahrungen im Bereich Biodiversitätsforschung in das Projekt einbringen. Die TU Dortmund wird sich der Datenanalyse und statistischen Auswertung widmen.

Das Projekt mit dem Titel „(Reverse) Proteomics as novel tool for biodiversity research“ ist auf drei Jahre angelegt und wird unter Federführung des ISAS durchgeführt.

Hintergrundinfos:

Das DNA-Barcoding beruht auf der Annahme, dass sich im Laufe der Jahrtausende Mutationen im Erbgut aller Lebewesen ansammeln. Je länger zwei Arten schon voneinander getrennt sind, desto mehr Unterschiede sollten ihre Genome demnach aufweisen. Da die Analyse ganzer Genome zu zeitaufwendig und teuer wäre und unnötig große Datenmengen produzieren würde, beschränkt man sich beim Barcoding darauf, bestimmte Markergene zu untersuchen. Am häufigsten wird das Gen cox I verwendet, das in den Mitochondrien – den Kraftwerken der Zelle – vorkommt und wichtig genug ist, um bei allen Lebewesen eine Rolle zu spielen. So ist sichergestellt, dass das Gen nicht bei einer Art durch Mutation verloren geht.

Das Barcoding beruht auf einer Methode namens PCR (Polymerase-Kettenreaktion), mit der schnell und einfach DNA-Stücke vervielfältigt werden können. So gewinnt man genug Material, um anschließend die DNA-Sequenz zu bestimmen: die Abfolge der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die wiederum den Bauplan für Proteine darstellt.

Das ISAS ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft, die 86 selbständige Forschungseinrichtungen verbindet. Deren Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevante Fragestellungen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung. Sie unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Institute pflegen intensive Kooperationen mit den Hochschulen – unter anderem in Form der Wissenschaftscampi –, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem maßstabsetzenden transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 16.500 Personen, darunter 7.700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,4 Milliarden Euro.

Weitere Informationen unter www.leibniz-gemeinschaft.de.

Verantwortlich für den Text: Tinka Wolf, Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften – ISAS – e.V.

Tinka Wolf | idw
Weitere Informationen:
http://www.isas.de

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