Mikroorganismen wehren sich gegen Parasiten: Neue mögliche Funktion der Genschere entdeckt

Mit der Genschere CRISPR/Cas bekämpfen Mikroorganismen virale Angreifer. In der Gentechnik wird das mikrobielle Immunsystem zur gezielten Veränderung des Erbguts eingesetzt. Unter Leitung von Professor Dr. Alexander Probst, Mikrobiologe am Research Center One Health Ruhr der Universität Duisburg-Essen (UDE), hat ein Forschungsteam nun eine weitere Funktion der spezialisierten Genomsequenz entdeckt: Archaeen – Mikroorganismen, die den Bakterien oft optisch sehr ähnlich sind – setzen sie auch ein, um Parasiten zu bekämpfen.

Für die Entdeckung der Genschere, das sogenannte CRISPR/Cas-System, erhielten die Biochemikerinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna 2020 den Nobelpreis. Doch viele Funktionen des genetischen Werkzeuges sind auch heute noch erforscht. Könnten Mikroorganismen sie beispielsweise einsetzen, um andere Mikroorganismen zu bekämpfen, die als Parasiten von ihnen leben? Mit dieser Forschungsfrage analysierte Alexander Probst das genetische Material von Mikroben in der tiefen Erdkruste. „In der tiefen Biosphäre tummeln sich über 70 Prozent der Mikroorganismen der Erde. Will man die Diversität auf unserem Planeten verstehen, lohnt der Blick in die Tiefe“, erklärt Probst.

Mit seinem Team hat der Mikrobiologe das Wasser, das ein Geysir in den USA aus der Tiefe an die Oberfläche spuckt, sowie Proben aus dem unterirdischen Horonobe-Labor in Japan analysiert. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf sogenannte Archaeen, die als Wirte und Parasiten im Ökosystem leben. Die winzigen Mikroben weisen eine hohe Ähnlichkeit zu Bakterien auf. Das Ergebnis der Gen-Analyse liefert neue Erkenntnisse: Es befanden sich auffällig wenige Parasiten in Gesellschaft zu den Wirten, und die Wirte wiesen genetische Resistenzen gegen die Parasiten auf. Den Grund dafür entdeckten die Forschenden innerhalb der Genschere im Erbgut der Mikroorganismen.

„Im Lauf der Evolution haben die Archaeen die parasitäre DNA eingebaut. Greift ein Parasit mit eben jener DNA nun den Organismus an, wird das fremde Erbgut vom CRISPR-System wahrscheinlich erkannt und vermutlich abgebaut“, erklärt Probst. Der Mikrobiologe ist Experte in der Analyse von genetischem Material aus Umweltproben und nutzt für seine Untersuchungen neueste Methoden wie die Oxford Nanopore Technology, die eine schnelle und umfassende Sequenzierung des Materials ermöglicht.

Um auszuschließen, dass sie nur auf Einzelfälle gestoßen sind, haben die Forschenden die Analyse auf über 7.000 Genome erweitert und das Phänomen sehr häufig beobachtet. In der künftigen Forschung wird diese Erkenntnis auch dabei helfen, besser zwischen hilfreichen Symbionten und störenden Parasiten zu unterscheiden. Schlägt das CRIPSR-System an, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Parasiten. Damit können wichtige Stoffwechselvorgänge wie der Kohlenstofffluss in Ökosystemen in Zukunft vermutlich besser verstanden werden.