Im Schlamm von Kalifornien Forscher finden geheimnisvolle Erbgutform – und benennen sie nach »Star Trek«-Fieslingen

Bei »Star Trek« sind die tödlich effektiven Borg eine Gefahr für andere Spezies – weil sie diese assimilieren. Forscher berichten nun von mysteriösen Erbgutabschnitten, die auf einem ähnlichen Mechanismus basieren könnten.
Mikrobiologische Arbeiten (hier bei der Anwendung des Crispr/Cas-Verfahrens in einem Berliner Labor)

Mikrobiologische Arbeiten (hier bei der Anwendung des Crispr/Cas-Verfahrens in einem Berliner Labor)

Foto: Gregor Fischer/ dpa

Jill Banfield hat in japanischen Bergwerken gearbeitet und an Geysiren im US-Bundesstaat Utah. Doch für ihre womöglich weitreichendste Entdeckung ist sie zusammen mit ihrem Doktoranden Basem Al-Shayeb auf dem schlammigen Boden eines ausgetrockneten Tümpels in der Nähe ihres Hauses herumgepatscht. Die australische Geomikrobiologin, die an der University of California in Berkeley arbeitet, hat Feldforschung in der eigenen Nachbarschaft betrieben.

Zusammen mit Al-Shayeb war sie auf der Suche nach den Spuren ganz spezieller Viren. Diese Erreger befallen urtümliche Einzeller, sogenannte Archaeen, die oft unter extremen Umweltbedingungen leben. Banfield und ihr Assistent interessierten sich speziell für Exemplare, die beinahe ganz ohne Sauerstoff auskommen – und für die Viren, die sie infizieren. In Bodenproben aus dem Tümpel suchte das Team zunächst nach allen möglichen Erbgutabschnitten – und fand Milliarden davon. Mithilfe von automatisierten Datenbankrecherchen wurde dann geprüft, wer eigentlich für dieses vorgefundene Genmaterial verantwortlich war: Bakterien, Viren – und anderes mehr.

Dabei fanden die Forschenden zu ihrer Überraschung auch eine bisher offenbar noch nicht bekannte Form von extrem langen, geraden Erbgutabschnitten. Diese enthielt, so berichten sie in einem noch nicht von Fachkollegen begutachteten Manuskript , Teile der DNA verschiedener Bakterienarten. Als Banfield ihrem Sohn, einem »Star Trek«-Fan, beim Thanksgiving-Dinner im vergangenen Jahr davon berichtete, hatte dieser gleich den passenden Namen parat: Borg.

In den Sci-Fi-Geschichten stellt dieses Kollektiv eine immense Gefahr für die Vereinigte Föderation der Planeten dar, zu der auch wir Menschen zählen. Die Borg haben in ihrem Streben nach technologischer Überlegenheit nämlich eine für andere Arten eher unpraktische Eigenschaft: Sie trachten danach, sich diese rücksichtslos und vor allem komplett einzuverleiben. Im Erfolgsfall endet die eigenständige Existenz der solcherart assimilierten Spezies daher leider. Wissen und Erfahrungen bestehen nur als Teil der Borg-Gemeinschaft, die ganz ohne Individuen auskommt.

Ein als Borg verkleideter Gast einer Sci-Fi-Messe (Archivbild)

Ein als Borg verkleideter Gast einer Sci-Fi-Messe (Archivbild)

Foto: Oliver Krato/ picture-alliance/ dpa

Solche Aliens sind es nicht, die sich in Banfields Bodenproben finden, so viel dürfte klar sein. Doch damit enden die Gewissheiten auch schon beinahe. Denn was es ist, was das Team da aufgespürt hat, darüber herrscht Unklarheit. Im Grundsatz könnte es sich um Hinweise auf bisher unbekannte Riesenviren handeln, um DNA bisher noch nicht erforschter Bakterien – oder um freie Erbgutstücke, die auch außerhalb von Zellen existieren können.

Forschende wollen nicht an Zufall glauben

Im Grundsatz ist solcherart freie Geninformation, Forscher sprechen von extrachromosomaler DNA, durchaus bekannt, etwa in Form sogenannter Plasmide. Mit deren Hilfe können Bakterien Eigenschaften wie Antibiotikaresistenzen zwischen verschiedenen Arten austauschen. Doch diese Plasmide sind normalerweise kreisförmig und viel kürzer als das riesig lange DNA-Band, bestehend aus Hunderttausenden Basenpaaren, von dem Banfield und ihr Team nun berichten.

Das Erbgut der verschiedenen Borg – inzwischen sind rund zwei Dutzend verschiedene Gensequenzen bekannt, die auch in anderen Bodenproben von der US-Westküste nachgewiesen wurden – verfügt demnach über charakteristische Muster am Beginn und Ende und auffällige Regelmäßigkeiten im Verlauf. Man sehe auch Hinweise, dass es Kopien von sich selbst herstellen könnte. Von einer nur zufälligen Anordnung der DNA gehe man nicht aus, so die Forschenden.

Irgendetwas haben die Borg wohl mit Methan-Bakterien zu tun

W. Ford Doolittle, ein emeritierter Evolutionsbiologe an der Dalhousie University im kanadischen Halifax, der nicht an der Arbeit beteiligt war, nennt  die Ergebnisse »ziemlich aufregend«. Er kenne keine extrachromosomale DNA, die so lang sei »wie diese Typen«. Und Brett Baker, Mikrobiologe an der University of Texas in Austin, spricht  von Strukturen, »die man so noch nicht gesehen hat«. Sein Kollege Huang Li verweist darauf, dass es im Bereich der extrachromosomalen DNA in den vergangenen Jahren immer wieder Überraschungen gegeben habe. Zweifellos habe die aktuelle Entdeckung aber viele Forschende in seinem Bereich fasziniert.

Interessant ist, dass die Borg offenbar im Zusammenhang mit einer bestimmten Gruppe von Bakterien auftreten, die Methan abbauen. Methan ist als Hauptbestandteil von Erd- und Biogas ein wichtiger Energieträger. Die Verbindung ist aber auch ein kraftvolles Treibhausgas , das bei gleicher Masse und auf 100 Jahre gerechnet rund 30-mal so wirkungsvoll ist wie Kohlendioxid. Bisher ist es Forschenden nicht gelungen , die entsprechenden Methanoperedens-Bakterien im Labor zu kultivieren. Deswegen können sie die Hypothese nicht ohne Weiteres prüfen, dass die Borg im Inneren der Bakterien entstanden sind.

Womöglich handelt es sich, so vermuten die Forschenden, bei den Borg um Überreste nicht mehr existierender Bakterienarten, die in eine andere Art aufgenommen wurden – aber dort immer noch klar erkennbar vorliegen, wenngleich über die Zeit wieder und wieder modifiziert. Es wäre, sollte diese Interpretation stimmen, tatsächlich ein bisschen wie bei den »echten« Borg in »Star Trek«.

Die neu gefundenen Erbgutabschnitte weisen auf jeden Fall Gene auf, die bei der Verarbeitung von Methan helfen. Die Borg, mutmaßen Banfield und ihr Team, könnten die entsprechende Leistungsfähigkeit der methanzersetzenden Bakterien beeinflussen. Konkret könnten sie womöglich dafür sorgen, dass die Mikroorganismen das Treibhausgas besser zersetzen können: »Borg sind wie Turbo-Booster für den Methanstoffwechsel ihres Wirts. Das bedeutet, sie könnten erhebliche Auswirkungen auf das Klima haben«, so Banfield auf Twitter.

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Theoretisch wäre es durch die neuen Erkenntnisse unter Umständen möglich, Bakterien im Boden dazu zu bringen, mehr Methan abzubauen – und das Weltklima so zu stabilisieren. Doch das wäre zum einen bestenfalls Zukunftsmusik, zum anderen womöglich mit massiven Risiken verbunden.

»Wir haben etwas Rätselhaftes gefunden.«

Jill Banfield, Geomikrobiologin an der University of California in Berkeley

Zunächst einmal will Banfield die Borg nun gründlicher studieren. Seit der Entdeckung sich regelmäßig wiederholender Erbgutabschnitte bei verschiedenen Bakterien und Archaeen – das ist auch die Grundlage für die Genschere Crispr/Cas – sei sie jedenfalls nicht mehr so begeistert von einer Entdeckung gewesen, so die Forscherin: »Wir haben etwas Rätselhaftes gefunden, das, wie Crispr, mit mikrobiellen Genomen verbunden ist.«

Jennifer Doudna von der University of California, die neben Emmanuelle Charpentier von der Max-Planck-Forschungsstelle für die Wissenschaft der Pathogene in Berlin im vergangenen Jahr für Crispr/Cas mit dem Chemie-Nobelpreis geehrt wurde, ist Co-Autorin des aktuellen Manuskripts.

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