Mögliche neue Funktion des CRISPR-Cas-Systems entdeckt

Mikroorganismen nutzen das CRISPR-Cas-System, um virale Angriffe abzuwehren. In der Gentechnik wird das mikrobielle Immunsystem zur gezielten Veränderung des Erbguts genutzt. Ein Forscherteam hat nun eine weitere Funktion dieser speziellen Genomsequenz entdeckt: Archaeen – Mikroorganismen, die Bakterien im Aussehen oft sehr ähnlich sind – nutzen sie auch zur Bekämpfung von Parasiten. Das Team unter der Leitung von Professor Dr. Alexander Probst, Mikrobiologe am Forschungszentrum One Health Ruhr der Universität Duisburg-Essen (UDE), hat seine Ergebnisse nun in veröffentlicht Naturmikrobiologie.

Die Biochemikerinnen Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna erhielten 2020 den Nobelpreis für die biotechnologische Anwendung der CRISPR-Cas-Systeme, der „genetischen Schere“, für die Gentechnik. Allerdings sind viele Funktionen dieses genetischen Werkzeugs bislang noch unerforscht. Könnten Mikroorganismen damit beispielsweise andere Mikroorganismen bekämpfen, die als Parasiten auf ihnen leben?

Mit dieser Forschungsfrage im Hinterkopf analysierte Probst das genetische Material von Mikroben in der tiefen Erdkruste. „Mehr als 70 % der Mikroorganismen der Erde sind in der tiefen Biosphäre untergebracht. Wenn wir die Vielfalt auf unserem Planeten verstehen wollen, lohnt sich ein Blick in die Tiefe“, erklärt er.

Mit seinem Team hat der Mikrobiologe das Wasser analysiert, das ein Geysir in den USA aus der Tiefe an die Oberfläche spuckt, sowie Proben aus dem japanischen Untergrundlabor Horonobe. Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Archaeen, die als Wirte und Parasiten im Ökosystem leben. Die winzigen Mikroben ähneln in ihrer Zellgröße stark den Bakterien, weisen jedoch deutlich unterschiedliche physiologische Eigenschaften auf.

Das Ergebnis ihrer Genomanalyse lieferte neue Erkenntnisse: Es gab auffällig wenige Parasiten in der Nähe der Wirte und die Wirte zeigten eine genetische Resistenz gegen die Parasiten. Den Grund dafür entdeckten die Forscher in der Genschere im Genom der Mikroorganismen.

„Im Laufe der Evolution haben die Archaeen die parasitäre DNA eingebaut. Wenn nun ein Parasit mit derselben DNA den Organismus angreift, wird das fremde Erbgut wahrscheinlich vom CRISPR-System erkannt und vermutlich abgebaut“, erklärt Probst. Der Mikrobiologe ist Experte für die Analyse von genetischem Material aus Umweltproben und nutzt in seinem Labor modernste Methoden, etwa die Oxford Nanopore-Technologie, die eine schnelle und umfassende Sequenzierung des Materials ermöglicht.

Um auszuschließen, dass es sich dabei nur um Einzelfälle handelt, haben die Forscher die Analyse auf mehr als 7.000 Genome ausgeweitet und das Phänomen sehr häufig beobachtet. In zukünftigen Forschungen wird dieser Befund auch die Unterscheidung zwischen nützlichen Symbionten und schädlichen Parasiten erleichtern. Liegt eine CRIPSR-Erkennung vor, handelt es sich bei dem Mikroorganismus mit hoher Wahrscheinlichkeit um einen Parasiten. Dieses Wissen kann uns künftig auch dabei helfen, wichtige Stoffwechselprozesse, etwa den Kohlenstofffluss in Ökosystemen, besser zu verstehen.