Forensik in Sachen Vielfalt

Doppmann z¨¹ckt einen Filzstift, notiert Temperatur, Datum, Uhrzeit und Probe-Standort. Wirft einen letzten pr¨¹fenden Blick auf den Filter. Ob darin etwas enthalten ist, erkennt sie nicht ¨C noch nicht. Erst im Labor werden die drei herausfinden, ob der Filter die Erbsubstanz von Lebewesen enth?lt. Denn darauf haben sie es abgesehen ¨C wie Forensiker in der TV-Krimiserie ?CSI: Miami?.

Rollender Stein

Die Forschenden n¨¹tzen den Umstand aus, dass jedes Lebewesen Erbgut, also DNA-Molek¨¹le, in die Umwelt abscheidet, sei es im Kot, in Hautschuppen, in Schleim oder Zellen. Die Molek¨¹le gelangen in den Boden, ins Wasser, ins Sediment eines Sees, sie landen auf ?sten eines Baumes. Selbst in Schwebeteilchen in der Luft sind Spuren von Erbgut enthalten.

Die Idee der Forschenden ist, aus Umweltproben DNA-Molek¨¹le zu extrahieren und sie Baustein f¨¹r Baustein zu analysieren. Mit ausgekl¨¹gelten Computerprogrammen vergleichen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schliesslich die gefundenen DNA-Sequenzen mit solchen, die in Referenz-Datenbanken enthalten sind und von denen bekannt ist, zu welcher Art oder Organismengruppe sie geh?ren. So erhalten die Forschenden Auskunft dar¨¹ber, welche Lebewesen in einem bestimmten Gebiet vorkommen k?nnten.

Die Methode ist zwar nicht neu, aber sie hat sich in den vergangenen Jahren zunehmend durchgesetzt. Erste Versuche, Bakterien anhand ihrer DNA aus Wasser- und Bodenproben zu bestimmen, gehen auf die sp?ten 1980er-Jahre zur¨¹ck. Aber erst 2008 gelang es europ?ischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, in einer Wasserprobe die DNA eines Frosches nachzuweisen. Das verlieh dem Forschungsgebiet Fahrt.

Nicht zuletzt befl¨¹gelten neue Technologien f¨¹r die rasche und umfassende DNA-Sequenzierung die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich mit Umwelt-DNA befassen ¨C wie Kristy Deiner, Professorin f¨¹r Umwelt-DNA der ETH Z¨¹rich. Sie leitet die Gruppe, der Anish Kirtane, C¨¢tia Pereira und Zora Doppmann angeh?ren.

Seit 2015 werden Hochdurchsatz-Sequenzierger?te routinem?ssig f¨¹r die Analyse von Umwelt-DNA eingesetzt. Diese Ger?te k?nnen unsortierte Mischungen mit Millionen von unterschiedlichen DNA-Molek¨¹len rasch und in nur einem Durchlauf entschl¨¹sseln. ?Fr¨¹her mussten wir jeden einzelnen DNA-Strang von den anderen trennen und aufreinigen, ehe wir seine Sequenz analysieren konnten?, erinnert sich Deiner. ?Die technische Revolution hat den Stein so richtig ins Rollen gebracht.?

G¨¹nstig und schnell

Mittlerweile haben die drei Forschenden ihre Proben ins Labor gebracht. Jetzt stehen Pereira und Doppmann im Reinraum. In ihren weissen Schutzanz¨¹gen sehen sie aus wie Astronautinnen. Kirtane schaut seinen Kolleginnen durch eine Glasscheibe zu, wie sie die Filterwatte bearbeiten und mit L?sungen das DNA-haltige Material auswaschen. Danach reinigen sie Proben und pr?parieren sie, sodass die L?sung nur noch DNA enth?lt.

?Wir m¨¹ssen eine Kontamination der Proben unbedingt verhindern?, erkl?rt Masterstudentin Doppmann. Schon ein winziges DNA-St¨¹ck von ihnen selbst oder von ausserhalb k?nnte die Proben unbrauchbar machen. Deshalb m¨¹ssen die Forschenden erst durch eine Vakuumschleuse, dann ziehen sie die Schutzanz¨¹ge an. Erst jetzt d¨¹rfen sie den Reinraum betreten. Das dauert. Zudem wird die Luft, die in den Reinraum gepumpt wird, gefiltert. Nachts brennt UV-Licht, das unbeabsichtigt eingetragene DNA-Molek¨¹le zersetzt. Auch die Oberfl?chen m¨¹ssen nach jedem Versuch mit Bleichmittel gereinigt werden.

Mit dem Erbgut aus der Umwelt zu arbeiten, klingt aufwendig und teuer, weil es eine ausgekl¨¹gelte Laborinfrastruktur, spezielle Chemikalien und teure Instrumente braucht. Trotzdem ist der neue Ansatz schneller und g¨¹nstiger als klassische Methoden, bei denen Organismen gesammelt und m?glichweise get?tet werden m¨¹ssen, um die Arten bestimmen zu k?nnen. ?Die Umwelt-DNA-Analyse ist hingegen nicht invasiv. Es schadet keinem Tier und keiner Pflanze, wenn wir ihre DNA aus Wasser- oder Bodenproben extrahieren?, sagt Deiner. Und nicht zuletzt brauchen die Forschenden nur sehr kleine DNA-Mengen, um eine Art festzustellen.

Auch die Probennahme ist einfach. Das m?chten Deiner und ihre Mitarbeitenden nutzen. In einem Projekt, das bald startet und f¨¹r das die ETH-Professorin einen ERC Starting Grant eingeworben hat, m?chte sie die Forschung mit Umwelt-DNA ?ffnen. Am Projekt beteiligen sich neben Profis auch Laienforschende in aller Welt. Am weltweiten Tag der Artenvielfalt am 22. Mai 2024 sollen sie in 1200 Seen rund um den Globus Wasserproben nehmen, das Wasser vor Ort filtrieren und die Filter zur Analyse an die ETH Z¨¹rich schicken. Hier wird die DNA extrahiert, entschl¨¹sselt und mit Referenzdaten verglichen. ?Das ist ein sch?nes Beispiel f¨¹r ein Citizen-Science-Projekt?, betont Pereira, die dieses koordiniert und an den Analysen beteiligt ist.

Ein Ziel ist, m?glichst viele Arten zu identifizieren und die Artenzusammensetzung der verschiedenen Sammelorte zu vergleichen. Zudem pr¨¹fen die Forschenden, ob ein auf Umwelt-DNA basierendes Monitoringsystem in einem globalen Massstab machbar ist. Als Gegenleistung f¨¹r ihren Einsatz erhalten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer Zugang zu den Daten und die Informationen dar¨¹ber, welche Arten in ihren Proben nachgewiesen wurden.

Buchstabensuppe auf dem Bildschirm

Nachdem sich die Forscherinnen aus ihren Schutzanz¨¹gen herausgesch?lt haben, nehmen sie die Proben und wechseln ins Genetic Diversity Center, zwei Stockwerke tiefer. In einem der R?ume steht ein unscheinbarer Kasten ¨C eines der teuren Sequenzierger?te. ?Wenn wir hier unten waren, d¨¹rfen wir nicht mehr in den Reinraum, selbst wenn wir etwas vergessen haben. Wir m¨¹ssen also den Ablauf gut planen?, sagt C¨¢tia Pereira.

Sie tippt mit dem Zeigefinger auf den Bildschirm vor sich. Der Computer hat DNA-Sequenzen aus einer fr¨¹heren Wasserprobe ausgespuckt. Das Dokument zeigt endlose Abfolgen der immer vier gleichen Buchstaben A, C, G und T, die f¨¹r die vier Bausteine des Erbguts stehen. Ein Vergleich mit Referenzdaten hat Pereira gezeigt, dass sich eine der Sequenzen einem Baum, der Platane, zuweisen l?sst, eine andere einer Brennnessel. Andere Sequenzen haben keinen Namen. ?Hier k?nnen wir momentan nicht sagen, um welche Art oder Gruppe es sich handelt?, sagt sie. Die Referenzdatenbanken h?tten noch etliche L¨¹cken. Daher hoffen die ETH-Forschenden, dass eines Tages andere Forschende Genom-Referenzdaten von verschiedensten Organismen systematisch aufarbeiten und in ?ffentlichen Datenbanken speichern.

Dennoch ist Pereira ¨¹berzeugt, dass die Umwelt-DNA-Methode die Art und Weise, wie die Wissenschaft Biodiversit?t erfasst, grundlegend ver?ndert. Zwar werde der Ansatz die herk?mmlichen Methoden nicht ersetzen. ?Der Umwelt-DNA-Ansatz wird sie erg?nzen. Experten in Taxonomie und ?kologie sind nach wie vor wichtig, denn eine Artenliste macht nur im Zusammenhang mit dem jeweiligen Lebensraum Sinn.?