Karteien mit den Profilen von Verdächtigen durchsehen und deren Eigenheiten mit den am Tatort gefundenen Indizien vergleichen – Thomas Ratteis Arbeit erinnert ein bisschen an die eines Kriminalisten. Die Kandidaten in seiner Datenbank sind allerdings mikroskopisch klein. Und nach ihren Spuren sucht der Bioinformatiker von der Universität Wien nicht an den Schauplätzen von Straftaten, sondern in Mumien, alten Knochen oder lebenden Menschen.

Er und seine Kollegen interessieren sich für das Heer von Bakterien, Pilzen und anderen Mikroorganismen, die sich den menschlichen Körper als Lebensraum ausgesucht haben. Wie sieht diese Lebensgemeinschaft genau aus? Was bewirkt sie? Und hat sie Mitglieder, die ihren Gastgeber krank machen können? Solche Fragen wollen die Forscher mit den modernsten Methoden der Erbgutanalyse beantworten. Auch über die Gesundheitsprobleme eines echten Promis haben sie auf diese Weise mehr herausgefunden. Gemeinsam mit Frank Maixner und Albert Zink vom EURAC-Institut für Mumien und den Iceman im italienischen Bozen sind sie im Körper von "Ötzi" auf Spurensuche gegangen [1].

Ötzis Erbgut

Seit Wanderer sie 1991 in den Ötztaler Alpen in Südtirol entdeckten, hat diese berühmte Gletschermumie Scharen von Wissenschaftlern fasziniert. Obwohl der Mann aus dem Eis schon vor rund 5300 Jahren starb, hat sich sein gefriergetrockneter Körper schließlich ungewöhnlich gut erhalten. Eine einmalige Chance, mehr über seine Zeitgenossen herauszufinden. Und so haben Forscher mit den unterschiedlichsten Methoden versucht, ihm so viele Geheimnisse wie möglich zu entlocken.

Wissenschaftlern, die sich für Ötzis Erbgut interessieren, sind dabei die rasanten Fortschritte in der molekularbiologischen Untersuchungstechnik zugutegekommen. Ziel ist es in solchen Fällen, die Reihenfolge der Bausteine im Erbmaterial DNA zu analysieren. Schließlich sind darin die genetischen Informationen verschlüsselt. Solche Untersuchungen kosteten allerdings noch vor ein paar Jahren sehr viel Zeit und Geld. Das "Human Genome Project", das 2001 die entsprechende Sequenz für die menschliche DNA geliefert hat, war noch ein milliardenschweres Mammutvorhaben. Inzwischen aber ist eine neue Generation von Analysegeräten am Werk, die schnell und kostengünstig große Mengen Erbmaterial untersuchen können. "Was 2001 noch mit einem Riesenaufwand ermittelt werden musste, schafft ein heutiges Gerät in ein paar Tagen", sagt Thomas Rattei. Dieses so genannte "Next Generation Sequencing" hat viele moderne Erbgutstudien überhaupt erst möglich gemacht – darunter auch die an Ötzi.

Vom Gletscher in die Klimakammer
© Südtiroler Archäologiemuseum / EURAC / Marco Samadelli und Gregor Staschitz
(Ausschnitt)
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Spezielle Bedingungen, die denen im Gletscher ähneln, sorgen dafür, dass sich der Zustand der berühmtesten Eismumie der Welt nicht verschlechtert.

Dessen jahrtausendealte DNA ist zwar vom Zahn der Zeit in kleine Schnipsel zerlegt worden, die man wie in einem Puzzlespiel wieder zusammensetzen muss. Doch auch diese Herausforderung lässt sich inzwischen gut meistern. Bereits im Jahr 2012 hat ein Team um Andreas Keller von der Universität des Saarlandes das komplette Genom des Mannes aus dem Eis veröffentlicht [2]. Aus einem winzigen, nur ein zehntel Gramm schweren Stück von Ötzis Hüftknochen hatten die Forscher die DNA isoliert und entschlüsselt. Die ermittelte Sequenz ähnelte am ehesten der von heutigen Menschen, die auf Korsika und Sardinien leben. Außerdem ließ sich aus dem jahrtausendealten Erbgut auch einiges über Ötzis Aussehen und seine Gesundheitsprobleme herauslesen. So hatte er wahrscheinlich braune Augen, die Blutgruppe 0, eine Unverträglichkeit gegen den Milchzucker Laktose und ein erhöhtes Risiko für Erkrankungen der Herzkranzgefäße.

Die DNA der Trittbrettfahrer

Damit aber hatten die 2012 ermittelten DNA-Sequenzen noch längst nicht alle interessanten Informationen preisgegeben. Schließlich enthielt die Probe nicht nur Erbgut von Ötzi selbst – sondern auch das seiner mikrobiellen Mitbewohner. "Bei solchen Studien sequenziert man zwangsläufig auch DNA von Bakterien, Pilzen und anderen Mikroorganismen mit", erklärt Thomas Rattei. Lange hatten Forscher dieses Material vor allem als unerwünschte Verunreinigung betrachtet und sich nicht weiter damit beschäftigt. Es ging in erster Linie darum, das fremde Erbgut von dem eigentlich gesuchten abzutrennen, damit es die Ergebnisse nicht verfälschte. "Inzwischen haben wir aber die Erfahrung gemacht, dass sich auch in diesen Sequenzen oft sehr spannende Informationen verbergen", sagt Thomas Rattei. Grund genug, auch die nichtmenschliche DNA aus der Ötzi-Probe genauer unter die molekularbiologische Lupe zu nehmen.

Dabei haben die Forscher nicht gezielt nach bestimmten Bakterien gesucht, sondern sich zunächst einmal einen Überblick über sämtliches vorhandene Erbmaterial verschafft. Von welchen bekannten Bakteriengruppen finden sich in der Probe deutliche Spuren? Um das herauszufinden, haben die Forscher am Computer die bei Ötzi gefundenen DNA-Stücke mit dem Erbgut jener Bakterien verglichen, deren Bausteinfolgen schon bekannt sind. Dieser erste Blick in die molekularbiologische Verdächtigenkartei verrät, wie viele Sequenzen aus der Probe zu einem bestimmten Bakterium passen.

Im nächsten Schritt haben sich die Bioinformatiker diese Ähnlichkeiten genauer angeschaut. Sind die gefundenen Abfolgen wirklich typisch für die jeweiligen Mikroorganismen? Oder könnten sie auch zu anderen gehören? Und decken die nachgewiesenen DNA-Schnipsel einen guten Teil des gesamten Erbguts eines Bakteriums ab? Solche Fragen helfen den Fahndern, tatsächlich die richtigen Verdächtigen zu überführen.

Eine Frage der Konservierung

Sicher identifiziert haben sie zum Beispiel das Erbmaterial von Clostridien. Das sind Bakterien, die so gut wie überall vorkommen – vom Erdboden bis zum Verdauungstrakt höherer Lebewesen. Um welche Vertreter dieser großen Gruppe es sich handelt, versuchen die Forscher derzeit genauer einzugrenzen. Glücklicherweise ist dieses Erbmaterial ungewöhnlich gut erhalten. Anders als Ötzis eigene DNA, die der Zahn der Zeit schon kräftig zernagt hat, zeigt das Clostridien-Erbgut kaum Spuren von Zersetzung. Leben die Mikroben vielleicht sogar noch? "Das lässt sich nur mit weiteren Experimenten klären", sagt Thomas Rattei.

Dazu müssen die Forscher in den Proben nach Anzeichen dafür suchen, dass die Mikroben-DNA noch aktiv ist. Es müssten sich dann so genannte mRNA-Moleküle finden. Das sind Abschriften der DNA-Sequenz, nach deren Vorlage die winzigen Zellfabriken die Proteine herstellen. "Diese mRNA wird viel schneller abgebaut als die DNA", erklärt Thomas Rattei. "Wenn wir die sehen, sind lebende Bakterien vorhanden." Sollten solche Moleküle nicht auftauchen, muss das allerdings nicht bedeuten, dass die Clostridien endgültig das Zeitliche gesegnet haben. Vielleicht verharren sie auch nur in einem Ruhezustand und warten auf bessere Zeiten.

Das aber wäre für Ötzis Zukunft eine hochinteressante Information. Derzeit liegt die Mumie in einer Kühlkammer im Südtiroler Archäologiemuseum in Bozen. Eine Temperatur von minus 6,5 Grad und eine Luftfeuchtigkeit nahe 100 Prozent simulieren die Bedingungen im Gletscher, die den Körper über so viele Jahrtausende konserviert haben. Doch sind das wirklich die günstigsten Bedingungen, um den Mann aus dem Eis möglichst unversehrt zu erhalten? Experten diskutieren darüber, ob man ihn künftig nicht in einer Stickstoffatmosphäre aufbewahren sollte, wie es bei verschiedenen Kulturgütern üblich ist. Das würde Sauerstoff liebende Bakterien am Wachsen hindern. Doch würde es vielleicht auch die Clostridien aufwecken, die nur ohne Sauerstoff wachsen können? "Wenn man die Konservierungsbedingungen ändern will, sollte man Ötzi auf jeden Fall mikrobiologisch überwachen", betont Thomas Rattei. Nicht dass ein paar Bakterien in kurzer Zeit das zerstören, was über so viele Jahrtausende erhalten geblieben ist.

Medizinische Spurensuche

Spannend ist Ötzis Mikrobenwelt aber nicht nur im Hinblick auf seine Zukunft. Finden sich in seinem Körper vielleicht auch die Reste von Krankheitserregern, die ihm schon zu Lebzeiten zu schaffen gemacht haben?

Eine solche Suche nach uralten Erregern ist für Mediziner hochinteressant. Denn so lässt sich herausfinden, wie lange unsere winzigen Gegner schon am Werk sind, wie sie sich an den Menschen angepasst haben und wie sie sich ausbreiten. "In letzter Zeit haben Kollegen auf diesem Gebiet große Fortschritte gemacht", sagt Thomas Rattei.

Ein Team um Johannes Krause von der Universität Tübingen hat sich zum Beispiel auf einem mittelalterlichen Friedhof in London auf die Suche nach den Spuren des "Schwarzen Todes" gemacht. In den Zähnen von Pestopfern, die dort zwischen 1348 und 1350 begraben wurden, und sogar in Bodenproben sind sie auf Erbgutreste des Bakteriums Yersinia pestis gestoßen. Am Computer konnten sie daraus das komplette Genom des Erregers zusammensetzen, der damals so viele Menschen dahinraffte [3]. Einen ähnlichen Erfolg haben Johannes Krause und seine Kollegen auch beim Lepraerreger Mycobacterium leprae erzielt. Nach einer Untersuchung der Skelette von Leprakranken, die im Mittelalter in Großbritannien, Schweden und Dänemark gestorben waren, konnten die Forscher auch das Erbgut dieses Bakteriums rekonstruieren [4].

In diesen Studien haben die Wissenschaftler allerdings gezielt die Opfer einer bestimmten Krankheit untersucht. Bei Ötzi sind sie dagegen unvoreingenommen auf Erregerjagd gegangen – mit überraschenden Ergebnissen. So ließ sich auf Grund der geringen Anzahl an spezifischen Sequenzen bislang nicht sicher bestätigen, dass der Mann aus dem Eis unter einer Borreliose-Infektion litt. Dabei hatte er zuvor als der früheste bekannte Patient gegolten, der sich diese von Zecken übertragene Krankheit eingefangen hat. "Die DNA der Erreger lässt sich allerdings erstaunlich schwer von menschlichem Erbgut unterscheiden", erklärt Thomas Rattei. "Vor allem, wenn sie nur noch in kleinen Bruchstücken vorliegt und sich durch das hohe Alter chemisch verändert hat." Man könne zwar nicht hundertprozentig ausschließen, dass Ötzi Borreliosebakterien im Körper hatte, meint der Forscher. "Aber häufig waren sie bestimmt nicht."

Jahrtausendealte Zahnprobleme

In großen Mengen sind er und seine Kollegen dagegen auf die Überreste eines Bakteriums gestoßen, das als Parodontoseerreger berüchtigt ist. Treponema denticola löst Entzündungen aus, die den Halteapparat der Zähne zerstören können und damit weltweit die wichtigste Ursache für Zahnausfall sind.

Die Forscher sind sicher, dass diese Mikroben nicht etwa aus ihrem eigenen Mund stammen und bei den Untersuchungen in die Probe geraten sind. Denn zum einen müssen Wissenschaftler bei der Arbeit mit alter DNA Schutzkleidung tragen und akribisch darauf achten, dass solche Verunreinigungen nicht vorkommen. Zum anderen lässt sich auch am Erbgut selbst erkennen, ob es schon ein paar Jahrtausende hinter sich hat. Denn im Lauf der Zeit verändern sich die Sequenzen auf charakteristische Weise, die DNA setzt sozusagen Patina an. Typisch ist vor allem die chemische Umwandlung des Bausteins Cytosin in einen anderen namens Uracil. Genau diesen Effekt hat die untersuchte DNA von Treponema denticola deutlich gezeigt. Die Parodontoseerreger stammen also tatsächlich von Ötzi.

Das passt sehr gut zu den Ergebnissen einer Computertomografie, die dem Mann aus dem Eis im vergangenen Jahr massive Zahnprobleme bescheinigte. Doch was machen Mundbakterien eigentlich im Hüftknochen der Mumie, aus dem die Probe stammte? "Das hat uns auch gewundert", sagt Thomas Rattei. Offenbar war es dem Erreger gelungen, in die Blutbahn seines Opfers zu gelangen und so bis in diesen gut durchbluteten Knochen vorzudringen.

Um ganz sicherzugehen, haben die Experten vom Bozener Institut für Mumien und den Iceman allerdings auch noch im Zahnfleisch und in einem Abstrich aus der Mundhöhle nach den Bakterien gesucht – und wurden fündig. "Wir haben uns also nicht nur auf unsere Computeranalysen gestützt, sondern die Ergebnisse auch mit weiteren Laboruntersuchungen bestätigt", betont Thomas Rattei. An der Ursache von Ötzis Zahnproblemen haben er und seine Kollegen daher keinen Zweifel mehr.

Die Fahndung geht weiter

Erstaunlich an diesem Ergebnis ist vor allem, dass sich die Parodontoseerreger noch nach Jahrtausenden nachweisen lassen. Denn Treponema denticola gehört zur Gruppe der so genannten Spirochäten. Und von diesen Bakterien hatte man angenommen, dass ihre Überreste generell nicht lange erhalten bleiben. Das stimmt aber offenbar nicht. Die Forscher hoffen daher, dass sich mit ihrer Methode auch noch Interessantes über die Vergangenheit von anderen Krankheitserregern herausfinden lässt. Zu den Spirochäten gehört zum Beispiel auch Treponema pallidum, der Erreger der Syphilis. Und wie dessen Geschichte im Mittelalter und davor verlaufen ist, würden Mediziner nur zu gern herausfinden.

Doch auch Ötzis Bakterien werden Gegenstand weiterer Forschung sein. Vielleicht lässt sich ja mehr über die Zusammenhänge zwischen Ernährung und Zahnproblemen herausfinden. Schließlich ist bekannt, dass Ötzi bereits zubereitete Speisen wie etwa Getreidebrei gegessen hat. Kann sich dadurch vielleicht sein Parodontoserisiko erhöht haben? Die Art der Ernährung hat schließlich einen entscheidenden Einfluss darauf, welche Arten von Mikroorganismen sich im Mund und im Verdauungstrakt des Essers ansiedeln können.

"Gerade die Verdauung ist ein weiteres sehr spannendes Thema, dem wir gerade nachgehen", sagt Thomas Rattei. Die Darmflora von Ötzi enthält jede Menge interessante und unerforschte Bakterien, denen er und seine Kollegen auf die Spur kommen wollen. Dazu setzen sie eine Methode ein, mit der das Team um Johannes Krause bereits bei der Fahndung nach den mittelalterlichen Pestbakterien gute Erfahrungen gemacht hat.

Der Trick besteht darin, kleine Abschnitte aus dem Erbgut des gesuchten Bakteriums künstlich herzustellen. Diese synthetische DNA besteht nur aus einem einzelnen Strang, der in der jeweiligen Probe nach seinem Gegenstück sucht und sich damit verbindet. Und da die Forscher ihre "Fang-DNA" an kleinen Metallkügelchen befestigt haben, lässt sich der so entstehende Doppelstrang mit einem Magneten aus der Probe herausfischen. Das erleichtert die Suche nach den winzigen Erbgutschnipseln aus grauer Vorzeit ungemein. Womöglich lässt sich auf diese Weise ja herausfinden, ob Ötzi auch mit der Verdauung Probleme hatte. Bei heute lebenden Menschen diskutieren Mediziner jedenfalls zunehmend über die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Darmflora und Gesundheit. Vielleicht hat dieser Ärger ja schon vor mehr als 5000 Jahren angefangen.