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Mikrobiologie: Ein neuer Zweig

Von Riesenviren bis unbekannter DNA im Meer: Im Stammbaum des Lebens scheint es mehr zu geben als die drei bekannten Domänen.
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Zwei Wochen, nachdem Jonathan Eisens Artikel über bizarre, bisher unbekannte Formen von mikroskopisch kleinem Leben im Meer [1] publiziert worden war, bekam er eine E-Mail. Etwas flapsig hieß es da: "Willkommen im Club der 'Vierten Domäne'." Der Evolutionsbiologe von der University of California lachte leise in sich hinein, denn die E-Mail war von Didier Raoult, einem Biologen von der Université de la Méditerranée in Marseille. Der Forscher behauptet schon seit Jahren, dass die von ihm entdeckten Riesenviren zu einem eigenen, bisher unbekannten Zweig im Stammbaum des Lebens gehören, der so genannten vierten Domäne.

Nach Raoults Ansicht hat sich diese Domäne schon sehr früh an der Basis des phylogenetischen Stammbaums abgezweigt. Diese These stößt bisher auf große Skepsis, und auch Raoults Art der Datenanalyse ist umstritten. Die Diskussion zeigt, wie schwierig die Aufklärung von Verwandtschaftsbeziehungen bei Mikroorganismen ist, die über Milliarden von Jahren ihre DNA hin- und hergetauscht haben.

Ungeachtet dessen, ob die vierte Domäne tatsächlich existiert: Die Suche nach Beweisen hat etliche Überraschungen zu Tage gebracht. Raoults Mikroorganismen verwischen die Grenzen zwischen den Viren – die auf Grund ihrer Abhängigkeit von ihren Wirten eigentlich nicht als Lebewesen gelten – und den zellulären Organismen, welche die Viren beherbergen. Das hat die Frage nach der Definition von Leben neu angefacht. Nach Raoults Meinung sind einige Viren so hoch entwickelt, dass ihnen besondere Beachtung geschenkt werden müsste. Eisen hat Tausende von Meerwasserproben durchforstet und fand DNA-Sequenzen, von denen keiner weiß, woher sie eigentlich stammen. Alles, was sich da in der Umwelt so tummelt, bezeichnet er als "dunkle Materie des biologischen Universums". "Wahrscheinlich gibt es hier noch enorm viel, was man genau auf diesem Weg suchen muss."

Einteilung zellulärer Organismen

Vor dem Aufkommen der DNA-Sequenzierung teilte man alle Lebewesen anhand ihrer zellulären Struktur in zwei Domänen ein: erstens die Eukaryoten, zu denen alles von den Amöben über die Bäume bis hin zu den Menschen zählt und die große Zellen mit inneren Strukturen wie Kernen und Mitochondrien besitzen. Und zweitens die Prokaryoten, die kleiner sind und diese Strukturen in der Regel nicht haben. Im Jahr 1977 wurde diese Taxonomie von Carl Woese, einem Mikrobiologen von der University of Illinois in Urbana-Champaign, aber völlig umgekrempelt. Anhand von RNA-Sequenzen beschrieb er zwei verschiedene Gruppen von Prokaryoten: die Bakterien, die mit den Eukaryoten nur weitläufig verwandt sind, und die Archaeen, die ihnen viel näherstehen [2]. Er bekam zunächst erheblichen Gegenwind aus der Forschergemeinde, bis seine Theorie schließlich Mitte der 1980er Jahre, nach vielen molekularbiologischen Beweisen, akzeptiert wurde. Seitdem heißt es auch in den Lehrbüchern: Die drei Domänen des Lebens bilden die Eukaryoten, die Bakterien und die Archaeen.

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Mimivirus-Capsid | Zunächst hielten Forscher das Mimivirus für ein Bakterium – zu groß schien es im Vergleich zu anderen Viren. Doch schon die Inspektion unter dem Lichtmikroskop zeigte den für Viren charakteristischen Aufbau seiner Hülle.
Raoults Idee von der vierten Domäne stammt aus seiner Forschung an Riesenviren. So hatte seine Gruppe als ersten Vertreter im Jahr 2003 das Mimivirus identifiziert [3]. Eigentlich war es schon Jahre zuvor im Wasser eines Kühlturms im britischen Bradford gefunden worden, wo es Amöben infizierte. Auf Grund seiner Größe wurde es aber für ein Bakterium gehalten. Als die Identifizierung anhand der DNA nicht gelang, griffen Raoult und seine Mitarbeiter einfach zum Mikroskop. Und was sie da sahen, war ein Virus.

Die Mikrobiologen waren perplex. Mit seinen 750 Nanometern war das Mimivirus das erste unter dem Lichtmikroskop sichtbare virale Partikel. "Das war richtig aufregend", erinnert sich Jean-Michel Claverie, ein beteiligter Evolutionsbiologe von der Université de la Méditerranée. "Da wurde allen klar, dass wir eigentlich fast gar nichts über die Artenvielfalt der Mikroorganismen wussten."

Im Jahr 2004 veröffentlichte die Gruppe um Raoult das Genom des Mimivirus [4]. Mit 1,2 Millionen Basenpaaren war es mindestens doppelt so groß wie das bislang größte bekannte Virusgenom. Und einige seiner mehr als 1000 Gene waren an der Umsetzung von genetischer Information in Proteine beteiligt. Das war zuvor noch nie bei Viren beobachtet worden, die normalerweise auf die Translationsmaschinerie ihres Wirtes angewiesen sind. Die Forscher erstellten phylogenetische Stammbäume, indem sie DNA-Sequenzen von sieben Proteinen des Mimivirus mit den entsprechenden Sequenzen von Organismen der drei bekannten Domänen verglichen. Das Riesenvirus "scheint einen ganz neuen Zweig zu definieren", der noch auf einen Vorgänger der Eukaryoten zurückgehen könnte. Auf Grund ihrer Komplexität und Genetik könnten einige Viren einen besonderen Status im Stammbaum einnehmen, meint Raoult.

Das blieb nicht ohne Widerspruch. David Moreira und Purificación López García von der Université Paris-Sud in Orsay nannten gleich zehn Gründe, wieso Viren vom Stammbaum des Lebens ausgeschlossen werden sollten [5]. Einer davon war die Fähigkeit von Viren, genetisches Material von ihrem Wirt durch so genannten horizontalen Gentransfer aufzunehmen. Daher könnten die gefundenen Gene der Translationsmaschinerie auch stammen.

Raoult hatte inzwischen noch mehr Riesenviren entdeckt, einschließlich eines in einem Kühlturm in Paris. Im vergangenen Jahr beschrieb er dann, wie sich die neu entdeckten Riesenviren und andere große Viren in den Stammbaum integrieren ließen [6]. Nachdem ihre DNA-Sequenzen eine eigene Gruppe bildeten, müssten sie seiner Meinung nach auch zusammen vererbt sein. Damit hätte die Gruppe der so genannten NCLDVs (nucleocytplasmic large DNA viruses) einen gemeinsamen Ursprung.

Allerdings ist es nicht ganz einfach, die Abstammung von Organismen anhand genetischer Sequenzen zu bestimmen, insbesondere über große evolutionäre Distanzen hinweg. Mit der Zeit können Gene erst in die eine Richtung und dann wieder zurück zu ihrer ursprünglichen Sequenz mutieren. Dadurch werden die für die Forscher so wichtigen Überreste auf dem Pfad der Evolution verwischt. Zwei Arten können, auch ohne miteinander verwandt zu sein, sehr ähnliche Gensequenzen entwickeln, was als Konvergenz bezeichnet wird. Damit könnten Organismen wie die NCLDVs auf Zweigen nah beieinander zu liegen kommen, obwohl sie eigentlich bezüglich der Verwandtschaft weit voneinander entfernt sind.

Die Arbeitsgruppe der Evolutionsbiologin Eva Heinz von der Newcastle University in Großbritannien hat im Juni eine Antwort auf Raoults neuen Stammbaum des Lebens veröffentlicht [7]. Sie hatte seine Daten neu ausgewertet und dabei Phänomenen wie der Konvergenz Rechnung getragen. In diesen neuen Stammbäumen zweigen die NCLDVs als kleine Ästchen von verschiedenen und nicht nur von einem Ast ab. Nach Meinung von Heinz und ihre Mitautoren könnten einige Gene der NCLDVs von verschiedenen Wirten durch horizontalen Transfer gestohlen sein. "In der klassischen Phylogenetik ist es sehr wichtig, welches Modell man zur Analyse benutzt", meint Tom Williams, einer der Mitautoren in Newcastle. "Mit einem biologisch relevanteren Modell konnten wir einen anderen Stammbaum erstellen, der besser zu den Daten passte." Und da gab es keine vierte Domäne.

Raoult überzeugt das gar nicht: Große Viren lägen in ihrem neuen Stammbaum zwar tatsächlich nicht zusammen – Eukaryoten seiner Ansicht nach aber auch nicht. "Vielleicht kann ihr Analysemodell die Organismen mit gleichem Ursprung einfach nicht gruppieren", kommentierte er. Laut Heinz liegen Eukaryoten aber sehr wohl in ihrem Modell beieinander. So steht Raoult derzeit mit seiner Meinung allein. "Ich kann mich ja mit vielen exotischen Ideen anfreunden", meint Claverie, "aber ich glaube, im Moment haben wir einfach noch nicht genug Daten zu den Riesenviren."

Jagd auf Riesen

Raoult versucht derweil weiter, die Evolution seiner Riesenviren aufzuklären. Eine seiner Hypothesen ist die Abstammung von einem komplexeren Vorfahren, der später zu einer parasitischen Hülle reduziert wurde. Er sucht auch weitere neue Riesenviren, um die Entstehung anhand ihres Genoms zu klären, indem er mit Hilfe der viralen Mutationsrate eine molekulare Uhr erarbeitet. Dabei vermeidet er den Kontakt mit Virologen, die Dogmen nicht in Frage stellen wollen. "Ich diskutiere lieber mit Leuten, die auch einmal etwas Unordnung in die Modelle der Biologie bringen wollen", meint er.

Woese kann das verstehen: "Man muss seine Ideen äußern und sehen, was kommt."
Ein neuer Fund könnte die Diskussion weiter voranbringen: Ein Team um Jean-Michel Claverie beschreibt aktuell das Megavirus chilensis aus Küstengewässern vor Chile. Sein Genom ist noch etwas umfangreicher als das des Mimivirus. Vor allem aber besitzt auch das neue Virus Gene zur Translation. Claverie sieht darin eine Bestätigung, dass sich die Riesenviren aus zellulären Vorläufern entwickelt haben, die dann an Komplexität verloren. (PNAS 10.1073/pnas.1110889108, 2011)
Seine eigenen provokanten Ideen hielten damals der Kritik stand; bei Raoults vierter Domäne ist er da skeptischer.

Und was ist mit Eisen? In der zitierten Arbeit untersuchte er mit seinem Team Meerwasserproben der Global Ocean Sampling Expedition des J. Craig Venter Institute. In diesem weltweiten Unterfangen wurde ein DNA-Mix aus dem Meer sequenziert, um neue Organismen zu finden. Die meisten Forscher der Umweltgenomik suchen neue Organismen, die mit bekannten eng verwandt sind. Eisen möchte aber mehr. Und als er neue phylogenetische Stammbäume berechnete, fielen ihm verschiedene Unbekannte auf. Einige könnten tatsächlich zu Raoults vierter Domäne gehören, manche entsprangen anderen Zweigen. Aber weil er weder die Zeit noch das Geld zu ihrer Identifizierung hatte, veröffentlichte er in seinem Paper die Methoden und Sequenzen, um das Interesse anderer Wissenschaftler zu wecken.

Eugene Koonin, ein Evolutionsbiologe vom National Center for Biotechnology Information in Bethesda (USA), hat bisher eine erste Analyse der Daten durchgeführt. Dabei fand er aber nichts Außergewöhnliches. "Einige der Sequenzen könnten schon zu sehr interessanten neuen Bakterien- und Archaeen-Zweigen gehören", meint er. Aber letztlich beurteilt er das Unterfangen als Misserfolg: "Sie jagten nach der vierten Domäne und kamen mit leeren Händen zurück."

Eisen, der Koonins Ergebnisse noch nicht gesehen hat, will sich Raoults Auffassung von einer vierten Domäne noch nicht anschließen. Er habe seine Daten publiziert, um andere Forscher für einzigartige Funde in Umweltproben zu sensibilisieren, anstatt sie – wie so oft – als Artefakte abzutun. Und es gibt bei den Archaeen und Bakterien noch so viel zu entdecken, meint auch Francisco Rodríguez-Valera, ein Mikrobiologe von der Universidad Miguel Hernández in Alicante in Spanien: "Unmengen Mikroorganismen kennen wir noch gar nicht. Ich glaube, wir brauchen nicht alle zehn Jahre eine neue Domäne zu entdecken, nur um die Öffentlichkeit davon zu überzeugen, wie wichtig Mikroorganismen sind."
41. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 41. KW 2011

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