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Paläogenetik: Der Fluch der alten DNA

Vergangenes Jahr will ein Forscherteam aus ägyptischen Mumien DNA extrahiert haben. Zahlreiche Fachkollegen widersprechen heftig: Sie halten das für schlicht unmöglich.
Mumie in HolzsarkophagLaden...
Umringt von Kameras und Scheinwerfern stehen Carsten Pusch und Albert Zink an einem Bildschirm, den Blick auf bunte Striche und Kurven gerichtet. Dramatische Pause. "Mein Gott!", murmelt Pusch dann plötzlich, und beide fallen sich in die Arme. Begleitet vom Stimmengewirr und Applaus ihrer ägyptischen Kollegen schütteln sie sich die Hände. Die beiden Experten für die Analyse alter DNA haben allen Grund, sich zu beglückwünschen: Nach Monaten akribischer Arbeit ist die DNA-Analyse der 3300 Jahre alten Mumie von König Tutanchamun endlich geschafft.

Der junge Pharao und zehn seiner Verwandten waren die letzten einer ganzen Reihe von ägyptischen Mumien, die das Team unter die Lupe nahm. Dem "Discovery Channel" war die Forscherleistung eine ganze Dokumentation wert: "Tutanchamun – Das letzte Geheimnis der Grabkammer" begleitet die Forscher bei ihren Untersuchungen. Den wissenschaftlichen Ertrag publizierte vergangenes Jahr das renommierte "Journal of the American Medical Association" (JAMA) [1].

Die Forscher hatten sowohl die Familienzugehörigkeit der Mumien beschrieben als auch Gebrechen wie Tuberkulose und Malaria diagnostiziert. Die Arbeit schien ganz neue Einblicke in Leben und Sterben der alten Ägypter zu geben und den Anfang einer neuen Ära der "molekularen Ägyptologie" einzuläuten. Wäre da nicht ein Haken: Die Hälfte ihrer Fachkollegen glaubt ihnen nicht ein Wort.

Parteienstreit

"Es gibt richtiggehend zwei Lager", sagt Tom Gilbert, Chef zweier Forschungsgruppen am Center for GeoGenetics in Kopenhagen, eines der weltbesten Forschungszentren für alte DNA. Die einen nutzen DNA-Analyse fast schon routinemäßig, die anderen halten sie für schlicht nicht machbar.

Außer Stande, ihre Streitigkeiten zu lösen, publizieren die Kontrahenten in unterschiedlichen Zeitschriften, besuchen unterschiedliche Konferenzen und bezeichnen sich gegenseitig als "Gläubige" und "Skeptiker" – sofern sie überhaupt miteinander reden und sich nicht einfach gänzlich ignorieren. Die Tutanchamun-Analyse ließ den langjährigen Streit wieder auflodern. Denn wie immer behaupteten auch diesmal die Skeptiker, die Resultate seien allein durch Kontamination erklärbar.

Mit Sequenziermethoden der nächsten Generation könnte es bald möglich sein, den Disput ein für alle Mal zu klären. Im Moment jedoch "hat das fast schon etwas Religiöses", meint Zink. "Wenn unsere Veröffentlichungen von den anderen begutachtet werden, kommt als Antwort nur: 'Ich glaube nicht, dass dies möglich ist.' Auf dieser Basis lässt sich nicht diskutieren."

Aufstieg und Absturz

Die Streitigkeiten reichen zurück zu den Anfängen der Forschung an alter DNA. In den 1980ern arbeitete ein damals noch junger Doktorand namens Svante Pääbo an der Universität Uppsala ohne Wissen seines Chefs an etwas, was niemand für möglich gehalten hatte: Er klonierte die Kern-DNA von 2400 Jahre alten ägyptischen Mumien [2]. Bald darauf fanden Forscher heraus, wie sie mit der damals neuen Technik der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) winzige Mengen DNA aus alten Proben vervielfältigen konnten. Die Begeisterung war riesengroß: Von in Bernstein eingeschlossenen Insekten bis hin zu einem 80 Millionen Jahre alten Dinosaurierknochen – überall wurden plötzlich DNA-Reste entdeckt [3].

Dann kam der Absturz. Es stellte sich nämlich heraus, dass die ohnehin schon für Kontaminationen anfällige PCR besonders unzuverlässig ist, wenn sie mit kleinsten Mengen alter, degradierter DNA durchgeführt wird. Bereits eine Spur moderner DNA, zum Beispiel die eines Mitarbeiters, kann einen ganzen Versuch ruinieren. Die angebliche Dinosaurier-DNA stammte von einem heutigen Menschen wie auch Pääbos erster DNA-Klon. Als die Forscher daraufhin strengere Kontrollen und Wiederholungsversuche in anderen Labors einführten, sank die Erfolgsquote dramatisch [4,5].

Schlechte Bedingungen

Die Skeptiker wundert das freilich nicht. DNA degradiert im Lauf der Zeit, und zwar umso schneller, je wärmer es ist. Nach Tausenden von Jahren in Ägyptens heißem Klima sei es äußerst unwahrscheinlich, dass die Mumien ausreichend große DNA-Fragmente enthalten, die mittels PCR vervielfältigt werden könnten. "Die Konservierung der DNA in ägyptischen Mumien ist eindeutig schlecht", gibt Pääbo zu, der inzwischen am Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie in Leipzig arbeitet und einer der führenden Wissenschaftler auf diesem Gebiet ist.

Franco Rollo von der Università degli Studi di Camerino in Italien hat sogar eigens Untersuchungen angestellt, wie lange die Mumien-DNA intakt bleibt. Er analysierte dazu unterschiedlich alte Papyrusstücke, die wie Mumien konserviert waren. Seiner Meinung nach sind DNA-Fragmente von etwa 90 Basenpaaren Länge – die Mindestgröße für klassische PCR-Analysen – schon nach etwa 600 Jahren nicht mehr vorhanden [6].

Mikroorganismen und Krankheitserreger

Die konkurrierenden Forscherteams publizieren dennoch ungebremst weiter. Aus bis zu 5000 Jahre alten ägyptischen Mumien wollen sie mittlerweile erfolgreich DNA extrahiert haben. Zink und seine Kollegen analysierten Hunderte von Mumien. Sie beschreiben die DNA-Isolierung von einer ganzen Reihe von Mikroorganismen wie Mycobacterium tuberculosis, Corynebacterium diphtheriae und Escherichia coli sowie Malaria und Leishmaniose auslösenden Parasiten.

Das Team der Mikrobiologin Helen Donoghue vom University College London publizierte letztes Jahr in einem sehr hochrangigen Journal den Nachweis von M tuberculosis-DNA in Dr. Granville's Mumie [7]. Diese wurde nach dem Arzt Augustus Granville benannt, der im Jahr 1825 als Erster eine Autopsie an einer Mumie durchführte.

Zumindest was Tuberkulose (TB) angeht, widerspricht Donoghue vehement dem Einwand, dass DNA in ägyptischen Mumien nicht erhalten bleibe. Die Zellwände von Mycobakterien wie M. tuberculosis seien reich an Lipiden, die nur langsam zerfallen und ihrer Meinung nach die DNA schützen. Durch Bestimmung dieser Lipide habe sie schon öfter Bakterien nachgewiesen. Auch die strengen Vorkehrungen gegen Kontamination seien bei der Suche nach alter mikrobieller DNA weniger wichtig als bei menschlichem Erbgut. In modernen Diagnostiklabors würde TB routinemäßig mittels PCR nachgewiesen, so dass die Methode nicht so kontaminationsanfällig sein könne, wie die Skeptiker befürchten: "Was da einige an Vorsichtsmaßnahmen vorschlagen, ist einfach völlig übertrieben, verglichen mit den Standards in jedem einzelnen Diagnostiklabor des Landes."

Die Skeptiker interessiert das nicht. Ohne strengste Kontrollen könne unmöglich nachgewiesen werden, dass eine Mikroorganismus-Sequenz tatsächlich von alter DNA und nicht von verwandten modernen Mikroorganismen stamme, kontert Gilbert. "Woher wollen Sie wissen, dass es sich um TB handelt und nicht um ein anderes Bakterium mit ähnlicher DNA-Sequenz?" Er und auch andere Kritiker meinen, das gesamte Forschungsfeld beruhe auf reinem Wunschdenken.

Den beiden Lagern ist mittlerweile die Lust am Diskutieren vergangen. "Wir ignorieren uns im Wesentlichen", sagt Ian Barnes, ein Molekularpaläontologe von der University of London. Er arbeitet an der DNA von ausgestorbenen Tieren einschließlich Mammuts. "Es gibt genügend totes Material; da kann man den anderen gut aus dem Weg gehen."

Die Königsdisziplin

Nach der Veröffentlichung der "JAMA"-Studie über Tutanchamuns Familie nahmen die Auseinandersetzungen wieder an Schärfe zu. Die Analyse menschlicher DNA, überdies von ägyptischen Mumien, ist der strittigste Punkt von allen. Nicht nur der Publicity wegen, sondern auch weil hier die Gefahr der Kontaminationen durch moderne menschliche DNA maximal wird. Altes und neues Erbgut unterscheiden sich kaum. Und nicht zuletzt ist eine Überprüfung der Resultate in unabhängigen Labors angesichts der geringen Probenmenge nur schwer möglich. Mehr als ein Jahrhundert lang wanderte ein wertvolles Objekt nach dem anderen in die Museen und Privatsammlungen der Welt, bis schließlich die ägyptischen Behörden die Ausfuhr komplett verboten. Die meisten außerägyptischen Wissenschaftler sind daher für ihre Forschung auf Museumsstücke an anderen Orten angewiesen.

Das Tutanchamun-Projekt wurde von einem ägyptischen Team durchgeführt, das vom Archäologen und derzeitigen Minister für Altertumsfragen Zahi Hawass eigenhändig rekrutiert wurde. Es war die erste Untersuchung von alter DNA aus königlichen Mumien, und dem Land fehlte die nötige Expertise. Deswegen holte Hawass sich Hilfe bei anderen, nämlich bei Zink, Forscher am EURAC-Institut für Mumien und den Iceman in Bozen, sowie bei Pusch von der Universität Tübingen. Beide planten und überwachten die Analysen sowie den Aufbaus zweier neuer Labors in Kairo. Diese wurden teilweise vom Discovery Channel finanziert, der das Projekt als Dokumentation verfilmte.

Unliebsame Entdeckungen im Labor

Die Beteiligung des Fernsehens habe sie nicht unter Druck gesetzt, besonders dramatische Resultate zu liefern, sagen die Wissenschaftler. Aber vor laufenden Kameras zu arbeiten, habe eine ohnehin schon große Herausforderung noch schwieriger gemacht, meint Pusch. "Jedes Mal, wenn sie zum Filmen kamen, mussten wir das Labor wieder eine Woche lang putzen." Am Ende wurde das Kamerateam verbannt, und einzelne Szenen wurden im Labor nachgestellt.

Das Projekt wurde schließlich von Medien weltweit als Meilenstein gefeiert [auch spektrumdirekt berichtete: "Vaterschaftstest für eine Mumie"]. Die Forscher behaupteten, DNA des Malaria-Parasiten Plasmodium falciparum in mehreren Mumien gefunden zu haben, einschließlich der des Tutanchamun. Die Infektion könnte sogar zu dessen Tod beigetragen haben, so die Forscher. Auch menschliche DNA-Fragmente wollen sie aus jeder der Mumien extrahiert haben, anhand deren sie dann einen Stammbaum über fünf Generationen erstellten, angefangen von Tutanchamuns Urgroßeltern bis hin zu den zwei in seinem Grab gefundenen kleinen Körpern, von denen man vermutet, dass es sich um seine tot geborenen Kinder handelt.

Bei der anderen Hälfte der Forschergemeinde hat das alles hauptsächlich Stirnrunzeln verursacht. "Ich bin sehr skeptisch", sagt Eske Willerslev, Direktor des Center for GeoGenetics in Kopenhagen und Mitverfasser eines Briefes an "JAMA", in dem die Daten angezweifelt wurden [8]. Sein größter Kritikpunkt, den auch andere mit ihm teilten, betrifft die verwendete Methode zur DNA-Analyse. Anstatt DNA zu isolieren und zu sequenzieren, hatte das Team einen so genannten "Fingerprint" erstellt. Hierbei wird die Größe von DNA-Produkten bestimmt, die zuvor per PCR vervielfacht wurden. Diese Methode wird nur selten bei der Analyse alter DNA eingesetzt, weil ohne Sequenzierung eine Kontamination nur schwer ausgeschlossen werden kann. Und eine so intensiv analysierte Mumie wie die des Tutanchamun muss nach Meinung der Skeptiker mit Kontaminationen nur so übersät sein.

Streitpunkt DNA

Das Tutanchamun-Team führte viele Kontrollen durch. So ließen sie die Analysen von anderen Mitarbeitern der zwei Labors replizieren und verglichen die DNA-Fingerprints der Mumien mit ihren eigenen. Außerdem wurden die Proben aus dem Inneren der Mumienknochen entnommen, wohin Kontaminationen eher nicht gelangt sein sollten, so Zink und Pusch.

Ihrer Meinung nach hat der Mumifizierungsprozess die DNA vor dem Abbau geschützt. Im heißen Grab wurde dem Körper Wasser entzogen, das für den Abbau von DNA durch so genannte Depurinierung nötig gewesen wäre. Die ägyptischen Einbalsamierer trockneten einen Körper sofort nach dem Tod mit Soda, einer natürlich vorkommenden Salzmischung. "Die Ägypter wussten genau, wie man Körper konservieren kann", meint Zink. "Das Wasser wurde dem Körper sehr schnell entzogen." Auf Tutanchamuns Leichnam wurden auch Balsam und Salben aufgetragen, die Bitumen, Pflanzenöle und Bienenwachs enthielten. Laut Pusch verlieh das einen zusätzlichen Schutz vor schädlichem Wasser. Hawass war an der DNA-Analyse nicht direkt beteiligt. Aber er teilt die Meinung des Teams, dass die DNA in ägyptischen Mumien gut erhalten zu sein scheint.

"Vieles an der Veröffentlichung ist korrekt", meint David Lambert, ein Evolutionsbiologe von der Griffith University im australischen Nathan, der ebenfalls an alter DNA forscht. So wurden beispielsweise in weiblichen Mumien keine Marker für Y-Chromosomen gefunden. Das spräche gegen eine Kontamination durch DNA heutiger Archäologen, die in der Regel männlich seien. Er berichtete auch von eigenen unveröffentlichten Arbeiten zum Nachweis von DNA aus mumifizierten Ibissen, den im alten Ägypten heiligen Vögeln. "Wir sind zuversichtlich, dass klassische PCR-Methoden bei dem uns zur Verfügung stehenden Material erfolgreich eingesetzt werden können", sagt er.

Saugfähige Knochen

Skeptiker aber bezweifeln, dass in Tutanchamuns Mumie genügend DNA für ein zuverlässiges Ergebnis vorhanden war. Ihrer Meinung nach saugt eine Mumie – insbesondere deren poröse Knochen – so viel Feuchtigkeit aus der Umgebung auf wie möglich. Der britische Archäologe Howard Carter, der 1925 zum ersten Mal Tutanchamuns Särge öffnete, bemerkte eine Beschädigung infolge eingedrungener Luftfeuchtigkeit. Da aber nun niemand Zugang zu dem strittigen Probenmaterial hat, ist es schwierig, die DNA-Analysen zu verifizieren.

Die Studie an Tutanchamuns Mumie führte zur weiteren Spaltung und echten Frustration des gesamten Forschungsbereichs. "Ich verstehe diese Unerbittlichkeit nicht. Das ist Pionierarbeit", meint Pusch. Er und Zink sequenzieren zurzeit mitochondriale und Y-chromosomale DNA von Mumien, was sie in diesem Jahr noch veröffentlichen wollen.

Aber nach jahrelangen Streitigkeiten scheinen nun neue Entwicklungen in der Sequenziertechnologie Bewegung in die Angelegenheit zu bringen. Mit den neuen Methoden lassen sich viel kürzere DNA-Stücke bestimmen. So können Fragmente von lediglich 30 Basenpaaren sequenziert werden, die man leicht in 2000 Jahre alten ägyptischen Mumien finden dürfte. Das verschiebe das Zeitfenster für erfolgreiche DNA-Untersuchungen weit nach hinten, meint Gilbert. "Aus Proben, die wir früher abgeschrieben haben, kriegen wie nun noch DNA heraus." Und was sehr wichtig ist: Die Geschwindigkeit der neuen Methode erlaubt es, eine Probe mehrfach zu sequenzieren und Kontaminationen durch den Nachweis charakteristischer DNA-Schäden in der alten DNA auszuschließen.

Studie folgt auf Studie

Mit Hilfe der neuen Sequenziertechnologie konnten Willerslev, Gilbert und ihre Kollegen letztes Jahr die komplette Genomsequenz eines etwa 4000 Jahre alten Paläo-Eskimos aus Grönland bestimmen [9]. Kurz danach veröffentlichte das Team von Pääbo 38000 Jahre alte Neandertaler-DNA [10] und die Erbgutsequenz eines zuvor unbekannten Hominiden aus Südsibirien [11]. Außerdem ist Zinks Team kurz davor, das Genom des Eismenschen Ötzi zu veröffentlichen.

All diese Proben waren in der Kälte konserviert. Willerslev nutzt inzwischen weiter entwickelte Techniken zur Extraktion von DNA aus verschiedenen südamerikanischen Mumien, die zum Teil im warmen Klima konserviert waren. "Zum Teil funktioniert es wirklich." Aber die DNA-Ausbeuten schwanken stark, räumt er ein. Dies könnte auch ein Grund für die unterschiedlichen Ergebnisse bei den ägyptischen Mumien sein. Nachdem die Sequenzierkosten in der Zwischenzeit stark gesunken sind, würden etliche Wissenschaftler die ägyptischen Mumien gerne erneut analysieren.

Zink und Pusch verhandelten nun auf politischer Ebene über die Analyse der Tutanchamun-Proben mit neuen Methoden. "Wir würden das sehr gerne tun, und es wäre wirklich sinnvoll. Aber das Problem ist, dass es in Ägypten geschehen muss", meint Zink. Nachdem keine Proben mehr aus Ägypten ausgeführt werden dürfen, müssten die Sequenziermaschinen nach Kairo transportiert werden, was ein teures Unterfangen wäre. Außerdem bestünden Bedenken, dass die Arbeiten politisch brisante Informationen über den genetischen Ursprung der Pharaonen ans Licht bringen könnten – möglicherweise sind heutige Ägypter gar nicht mit ihnen verwandt. "Das betrifft die ureigenste Geschichte der Ägypter", sagt Zink.

Aber auch er ist optimistisch, dass die neuen Sequenziermethoden das Forschungsfeld wieder näher zusammenrücken lassen. "Es ist wirklich Zeit, sich wieder an einen Tisch zu setzen und nicht ständig über die Arbeit der anderen zu schimpfen", sagt er. "Bei den neuen Sequenziertechniken kann nicht mehr einfach gesagt werden: Das glaube ich nicht. Die Arbeit müsste dann direkt anhand der Daten diskutiert werden." Willerslev ist damit einverstanden, auf die Gegenseite ein wenig zuzugehen. "Wir werden feststellen, dass die Gläubiger zu wenig kritisch waren", sagt er. "Aber die Skeptiker waren wahrscheinlich auch zu verbohrt."
23. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 23. KW 2011

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  • Quellen
[1] Hawass, Z. et al.: Ancestry and Pathology in King Tutankhamun's Family Journal of the American Medical Association 303, S. 638–647, 2010
[2] Pääbo, S.: Molecular cloning of Ancient Egyptian mummy DNA. In: Nature 314, S. 644–645, 1985
[3] Woodward, S. et al.: DNA sequence from Cretaceous period bone fragments. In: Science 266, S. 1229–1232, 1994
[4] Cooper, A., Poinar, H.: Ancient DNA: Do It Right or Not at All. In: Science 289, S. 1139, 2000
[5] Krings, M. et al.: mtDNA Analysis of Nile River Valley Populations: A Genetic Corridor or a Barrier to Migration? In: American Journal of Human Genetics 64, 1166–1176, 1999
[6] Marota, I. et al.: DNA decay rate in papyri and human remains from Egyptian archaeological sites. In: American Journal of Physical Anthropology 117, S. 310–318, 2002
[7] Donoghue, H. D. et al.: Tuberculosis in Dr Granville's mummy: a molecular re-examination of the earliest known Egyptian mummy to be scientifically examined and given a medical diagnosis. In: Proceedings of the Royal Society B 277, S. 51–56, 2010
[8] Lorenzen, E. D., Willerslev, E.: King Tutankhamun’s Family and Demise. In: Journal of the American Medical Association 303, S. 2471, 2010
[9] Rasmussen, M. et al.: Ancient human genome sequence of an extinct Palaeo-Eskimo. In: Nature 463, S. 757–762, 2010
[10] Green, R. E. et al.: A Draft Sequence of the Neandertal Genome. In: Science 328, S. 710–722, 2010
[11] Reich, D. et al.: Genetic history of an archaic hominin group from Denisova Cave in Siberia. In: Nature 468, S. 1053–1060, 2010

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