Die DNA-Sequenzierung wurde revolutioniert, nachdem Wissenschaftler in den heißen Quellen des Yellowstone-Nationalparks ein neues Bakterium entdeckten, und heute ist sie eine gängige Forschungstechnik.
Dieses bahnbrechende Bakterium heißt Thermus aquaticus und kann Temperaturen von bis zu 80 °C standhalten. Es handelt sich um ein Beispiel für einen Extremophilen – einen Organismus, der in der Lage ist, in extremen Umgebungen zu leben, beispielsweise solchen mit sehr heißen oder sehr kalten Temperaturen, hohem Salz- oder Säuregehalt, hohem Umgebungsdruck oder ionisierender Strahlung.
„Extremophile haben eine Reihe von Strategien entwickelt, um in feindlichen Umgebungen zu überleben oder sogar zu gedeihen“, sagt Ianina Altshuler, Tenure-Track-Assistenzprofessorin am EPFL-Labor „Microbiome Adaptation to the Changing Environment“ (MACE).
Ihre Forschungsgruppe untersucht Extremophile, die in Kryoumgebungen leben, um zu verstehen, wie sie sich an extrem niedrige Temperaturen angepasst haben. „Viele dieser Organismen produzieren speziell für die Kälte geeignete Proteine, etwa Enzyme, deren optimale Aktivitätstemperatur relativ niedrig liegt“, sagt Altshuler.
Berühmt für ihre Überlebensstrategien
Die außergewöhnlichen Fähigkeiten von Extremophilen haben in einigen Fällen für Schlagzeilen gesorgt. Beispielsweise kann Deinococcus radiodurans, ein 1956 in Konserven entdecktes Bakterium, hohen Dosen an Gammastrahlung standhalten. Halomonas titanicae, ein Bakterium, das 1991 aus den Trümmern der Titanic isoliert wurde, kann in stark salzhaltigen Umgebungen leben; Sein Vorhandensein beschleunigt die Korrosion von Metall – bis zu dem Punkt, an dem die Metallteile eines Wracks vollständig zerfallen können.
Thermus aquaticus wurde 1969 von Thomas D. Brock und Hudson Freeze im Yellowstone-Nationalpark entdeckt. Das Bakterium ist dafür bekannt, ein Protein namens Taq-Polymerase zu erzeugen – ein hitzebeständiges Enzym, das bei ungewöhnlich hohen Temperaturen aktiv ist: 70 bis 80 °C.
Hitzebeständiges Enzym
Diese Entdeckung führte zur Erfindung der Polymerase-Kettenreaktion oder PCR (wie bei den PCR-Tests, die wir während der Pandemie durchgeführt haben), die es Wissenschaftlern ermöglicht, spezifische DNA-Fragmente auszuwählen und sie dann durch die Anfertigung einer großen Anzahl von Kopien zu amplifizieren.
„Wir können DNA-Fragmente im Allgemeinen nicht beobachten, ohne sie zu verstärken – sie sind zu klein“, sagt Altshuler. Indem die PCR-Methode eine solche Amplifikation ermöglichte, ebnete sie den Weg dafür, dass die DNA-Sequenzierung in Forschungslabors zur gängigen Praxis wurde.
Die Methode ermöglichte die Kartierung des menschlichen Genoms. Es wird auch verwendet, um medizinische Diagnosen zu stellen, genetische Mutationen zu erkennen und die Forschung in den Bereichen Forensik, Landwirtschaft, Umweltwissenschaften usw. zu unterstützen. Es brachte seinem Erfinder Kary B. Mullis 1993 auch den Nobelpreis für Chemie ein. Vor der PCR war der Prozess der DNA-Sequenzierung sehr langwierig und ziemlich teuer.
Wie führte die Entdeckung der Taq-Polymerase zu dieser wichtigen Forschungstechnik? Um ein DNA-Fragment zu verstärken, müssen Wissenschaftler es einer Reihe von thermischen Zyklen aussetzen: Zuerst wird das Fragment erhitzt, wodurch es sich öffnet, dann wird die Temperatur gesenkt, damit ein Enzym den Strang kopieren kann, bevor er sich wieder schließt, und das Der Zyklus wird wiederholt. Während die meisten gängigen Enzyme bei etwa 30 °C aktiv sind – was für diese Temperaturzyklen zu niedrig ist – kann die Taq-Polymerase den erforderlichen höheren Temperaturen standhalten.