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DNA-Analytik: Erfolgreiche Ermittlungen im Erbgut
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Ist Tee vegan? Streng genommen nicht: Hunderte Insekten hinterlassen ihre Spuren in einem einzigen Teebeutel. Bienen tropfen Speichel auf eine Blüte, Spinnen überziehen Pflanzen mit Fäden, Wanzen durchbohren Blätter, Käfer verlieren Schuppen. All die Kontaminationen sind nachweisbar – schon einzelne Körperzellen eines Insekts genügen dafür. Möglich macht das moderne DNA-Analytik, wie Forschende der Universität Trier berichteten: Sie isolierten genetisches Material von bis zu 400 Insektenarten aus handelsüblichen Teebeuteln.
Die Untersuchung von Erbgut erlaubt heute Einsichten, die noch vor wenigen Jahren undenkbar waren, häufig anhand geringster biologischer Proben. Vor knapp zwei Wochen ging eine Enthüllung über eines der größten historischen Genies um die Welt: Eine Forschungsgruppe berichtete im Fachjournal „Science“, DNA von einer Rötelzeichnung gewonnen zu haben, die Leonardo da Vinci zugeschrieben wird – womöglich handelt es sich um die DNA des Meisters selbst.
Leonardo da Vinci
Mit Wattestäbchen gewannen Forschende genetische Spuren von einer Zeichnung des großen Künstlers.
© Getty Images (2)
Leonardo da Vinci
Mit Wattestäbchen gewannen Forschende genetische Spuren von einer Zeichnung des großen Künstlers.
Mit Wattestäbchen strichen die Forschenden behutsam über das alte, poröse Papier und werteten im Labor aus, was sie an genetischen Spuren gewonnen hatten: Mikroben- und Pflanzenreste, Malaria-Erreger, mysteriöse Hinterlassenschaften eines Wolfs und eines Wildschweins sowie humane DNA-Fragmente. Sie konnten die winzigen, mehr als ein halbes Jahrtausend alten Überreste, vielleicht aus dem Schweiß einer Handberührung stammend, sogar räumlich zuordnen: Sie passen zu einem Typ, der in Mittel- und Süditalien häufig vorkommt, auch in der Toskana. Sie stimmen außerdem mit dem Genprofil von Nachfahren da Vincis überein. Das ist zwar noch kein Beweis, dass wirklich der genetische Fingerabdruck des Universalgelehrten entdeckt wurde, aber immerhin ein starkes Indiz dafür.
Die mühsame Entschlüsselung des Genoms
Dass die Genetik derart Fenster weit zurück in die Vergangenheit öffnet (und mithelfen kann, die Urheberschaft eines großen Kunstwerkes zu klären), ist eine relativ junge Entwicklung. Genau 25 Jahre liegt die Entschlüsselung des genetischen Codes zurück. Im Februar 2001 präsentierten Forschende den ersten Entwurf des Humangenoms: eine Abfolge von 3,2 Milliarden Bausteinen, bestehend aus den DNA-Basen des Erbguts. In jeder einzelnen Körperzelle ist der gesamte Bausatz der Desoxyribonukleinsäure verpackt, ein eng verschlungener Strang aus den vier Aminosäuren Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin, kurz A, C, G und T.
Der Veröffentlichung des genetischen Codes war eine wahre Materialschlacht vorangegangen, ein globaler Wettlauf um die Dechiffrierung des Genoms. Universitäre Institute in aller Welt schlossen sich im Rahmen des Humangenomprojekts zusammen, um die Monsteraufgabe zu stemmen, herausgefordert vom Biotech-Unternehmer Craig Venter, der großspurig behauptete, es im Alleingang zu schaffen. Letztlich publizierten die Konkurrenten den ersten Entwurf des genetischen Bauplans samt seinen rund 20.000 Genen gemeinsam.
Genetische Sequenzen
Einst war die Entschlüsselung eines einzigen Genoms eine Monsteraufgabe, heute ist es tägliche Routine und ist in wenigen Stunden erledigt.
© Getty Images/Science Photo Libra/TEK IMAGE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images
Genetische Sequenzen
Einst war die Entschlüsselung eines einzigen Genoms eine Monsteraufgabe, heute ist es tägliche Routine und ist in wenigen Stunden erledigt.
Damals war die Buchstabierung eines einzigen Genoms ein Zehnjahresprojekt, in das viele Millionen Dollar flossen, heute ist es tägliche Routine: Manche Institute sequenzieren Erbgut binnen weniger Stunden um kaum 100 Dollar.
Das wirklich Beeindruckende am technischen Fortschritt innerhalb einer Vierteljahrhunderts ist aber, welche praktischen Möglichkeiten die DNA-Analyse bietet. Auf Basis der Untersuchung des Genoms kennt die Medizin heute Dutzende Gene, die für gravierende Erbkrankheiten verantwortlich sind – und entwickelt inzwischen gezielte Behandlungen dagegen, ebenfalls auf genetischer Basis. Die Genschere CRISPR/Cas9 erlaubt es, problematische Gene stummzuschalten, die zum Beispiel schwere Blutkrankheiten auslösen. mRNA-Impfstoffe gegen Krebs wiederum, die im Moment in klinischen Studien getestet werden, beruhen darauf, das Immunsystem gegen individuelle Krebszellen zu richten – die mittels DNA-Analyse von Tumorgewebe ermittelt werden.
So erreichen Gentherapien, lange Zeit bloß eine kühne Vision, Schritt für Schritt die medizinische Praxis. Moderne Kriminalistik wäre ohne DNA-Analytik ebenso wenig denkbar – und viele Straftäter befänden sich auf freiem Fuß, wären ihnen nicht winzige biologische Spuren zum Verhängnis geworden: ein Tröpfchen Blut, etwas Sperma, ein paar Haare, ein wenig Spucke an einem Zigarettenstummel. Dass minimale Mengen biologischen Materials für die Überführung eines Täters ausreichen, ist vor allem einer Technologie zu verdanken, die den meisten Menschen seit der Covid-Pandemie geläufig ist: der Polymerase Chain Reaction, kurz PCR. Sie ermöglicht es, auch geringste Reste genetischen Material respektive bestimmte Schlüsselstellen darin zu vervielfältigen und dadurch aussagekräftige DNA-Analysen durchzuführen.
Mit Eichen-DNA auf Mörderjagd
Doch nicht nur Körperflüssigkeiten können genetisch analysiert werden, um Mördern auf die Schliche zu kommen. Im Wissenschaftsjournal „Spektrum der Wissenschaft“ beschrieb kürzlich ein deutsches Biologenteam, wie sich sogar Eichenblätter eignen, um einen Tathergang aufzuklären. Der Fall begann mit einem Leichenfund an einem See in Baden-Württemberg. Der Tote war in Plastikfolie gewickelt und mit einem Betonblock beschwert, ermordet durch Hammerschläge auf den Hinterkopf. In der Folie entdeckten die Ermittler Blätter von der Hasel, Hainbuche, Eiche und Buche. Die Polizei wollte wissen: Konnten die Pflanzen den Tatort verraten?
Das Biologenteam unterzog sechs Eichenblätter einer genetischen Analyse und stellte fest: Sie alle stammten vom selben Baum. Dann folgte eine systematische Suchaktion der Fahnder, um infrage kommende Eichen in der Region aufzuspüren. Weitere DNA-Abgleiche brachten tatsächlich einen Treffer und führten zu exakt jenem Baum, von dem die Blätter in der Plastikfolie herrührten. In dessen Umfeld fanden die Kriminalisten Gegenstände, die zu den Tätern führten und auf einen Blutrachemord schließen ließen.
DNA-Labor
Selbst Eichenblätter haben eine unverwechselbare genetische Signatur und können den Weg zu einem Tatort weisen.
© AFP/APA/AFP/MOHAMED ABDIWAHAB
DNA-Labor
Selbst Eichenblätter haben eine unverwechselbare genetische Signatur und können den Weg zu einem Tatort weisen.
Selbst über längst zurückliegende Gewalttaten können DNA-Untersuchungen neue Erkenntnisse erbringen. Ein Beispiel dafür ist Johannes Bückler, genannt „Schinderhannes“, ein übler Geselle, der Anfang des 19. Jahrhunderts im Raum Frankfurt sein Unwesen trieb. 211 Delikte konnten ihm nachgewiesen werden, darunter Einbruch, Raub, Erpressung und Mord. Viele Verbrechen beging er zusammen mit seinem Komplizen Christian Reinhard alias „Schwarzer Jonas“. Im Jahr 1803 ließ man die Schurken durch das Fallbeil hinrichten, ihre Gebeine wurden in einer Sammlung verwahrt – dachte man zumindest.
Voriges Jahr unterzog der Innsbrucker Forensiker Walther Parson die Skelette einer DNA- und Isotopenanalyse und gelangte zu ziemlich überraschenden Einsichten: Der Abgleich mit dem Erbgut von Nachfahren ergab, dass die Gebeine vertauscht worden waren: Die Knochen des Schwarzen Jonas waren in Wahrheit jene des Schinderhannes, während dessen vermeintliche Überreste zu einer unbekannten Person gehörten. Außerdem erlaubten die Untersuchungen, einen detaillierten Steckbrief von Bückler zu verfassen: dunkle Haare, braune Augen, helle Haut, Raucher, wenig Fleisch und Fisch am Speiseplan.
Worunter litt Beethoven?
Besondere Aufmerksamkeit erregt die genetische Rekonstruktion historischer Ereignisse stets dann, wenn prominente Persönlichkeiten in deren Mittelpunkt stehen. Generationen von Forschenden arbeiteten sich bereits an der Frage ab, unter welchen Krankheiten Ludwig van Beethoven gelitten haben mag. Der fortscheitende Hörverlust ist weithin bekannt, doch auch chronische Magen-Darm-Beschwerden und ein Leberleiden sind überliefert. Was davon lässt sich heute wissenschaftlich erhärten, und welche Ursachen kommen infrage?
Haarsträhne von Beethoven
Die DNA-Analyse der Haare enthüllte eine genetisch bedingte Lebererkrankung. Außerdem ließ sich nachweisen, dass Beethoven mit Hepatitis-Viren infiziert war.
© Kevin Brown
Haarsträhne von Beethoven
Die DNA-Analyse der Haare enthüllte eine genetisch bedingte Lebererkrankung. Außerdem ließ sich nachweisen, dass Beethoven mit Hepatitis-Viren infiziert war.
Vor zwei Jahren unterzog ein internationales Forschungsteam fünf Haarsträhnen des Komponisten genetischen Analysen. Da mittlerweile Gene für verschiedenste Krankheits- bilder bekannt sind, ließ sich eruieren, dass Beethoven genetische Risikofaktoren für eine Lebererkrankung in seinem Erbgut trug. Weiters fanden die Wissenschafter Spuren von Hepatitis-B-Viren – von Erregern, die ebenfalls die Leber angreifen. Zusammen mit ausgiebigem Alkoholgenuss könnten diese Faktoren durchaus zum Tod geführt haben. Eine genetische Ursache für Schwerhörigkeit ließ sich indes nicht aufspüren.
Auch einer weiteren beinahe mythologischen Gestalt widmeten sich Forensiker ausführlich: der Herkunft des rätselhaften Kaspar Hauser, der 1828 plötzlich in Nürnberg auftauchte und kaum der Sprache mächtig war. Seit damals wird gerätselt, wer der mysteriöse Jugendliche gewesen sein mag, der 1833 durch Messerstiche ums Leben kam. Neuerlich war es ein Team um Walther Parson von der Universität Innsbruck, das den Cold Case aufgriff. Die Experten untersuchten aufbewahrte Haarlocken und einen Blutfleck auf Hausers Kleidung – und konnten nach erfolgter DNA-Analyse immerhin sagen, wer der geisterhafte Jüngling nicht war: ein geheim gehaltener Abkomme des Großherzogs Karl von Baden, wie immer wieder spekuliert worden war. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,9994 Prozent konnte die Genetik die Prinzen-Theorie ausschließen.
Nicht minder prickelnd sind die mannigfaltigen wissenschaftliche Bestrebungen, sich mithilfe der DNA auf die Fährte Napoleons zu heften. Die jüngste Initiative stammt vom Oktober des Vorjahres und konzentrierte sich auf eine spezielle Frage: Woran starben die Soldaten der napoleonischen Armee, deren Russlandfeldzug 1812 zum Desaster geriet? 300.000 Männer überlebten den Einsatz nicht, wenige kehrten nach Frankreich zurück, viele starben nicht nur wegen grimmiger Wetterbedingungen, sondern auch infolge von Krankheiten. Doch um welche könnte es sich gehandelt haben?
Feldherr Napoleon
Genetische Untersuchungen belegten, dass seine Armee durch Typhus und Rückfallfieber geschwächt und dezimiert wurde.
© AFP/APA/AFP
Feldherr Napoleon
Genetische Untersuchungen belegten, dass seine Armee durch Typhus und Rückfallfieber geschwächt und dezimiert wurde.
Um das herauszufinden, analysierten Forschende Überreste von 13 Soldaten Napoleons, Ende 1812 verstorben, vergraben im heutigen Litauen. Mit modernster DNA-Sequenzierung, die winzigste Spuren von Krankheitserregern auswerten kann, ließ sich rund 200 Jahre altes Erbgut zweier Bakterien nachweisen: des Typhus-Bakteriums sowie jenes von Borrelia recurrentis, das sogenanntes Rückfallfieber verursacht. Es war letztlich ein wenig ruhmreicher Kampf, den die große Armee erfolglos focht: gegen Mikroben, die den Soldaten schmähliche Niederlagen in Form von Erbrechen und ständigem Durchfall zufügten.
Das Genom des schwarzen Todes
Noch viel weiter zurück in die Vergangenheit reicht die Isolation eines Erregers, die einem US-Forschungsteam in Jordanien gelang. Im September des Vorjahres berichteten die Forschenden, mittels DNA-Analyse den Auslöser der justinianischen Pest identifiziert zu haben, die vor rund 1500 Jahren im mittleren Osten und in Teilen Europas wütete. Die Seuche tötete in manchen Regionen beinahe die Hälfte aller Menschen.
In einem Massengrab bei der Stadt Gerasa wurden zahlreiche Pestopfer entdeckt, und acht Zähne dieser Toten prüfte die Expertengruppe auf Reste des Pestbakteriums. Tatsächlich ließ sich Yersinia pestis darin genetisch nachweisen. In anderen Fällen glückte sogar das Kunststück, die Routen von Krankheitserregern mittels DNA-Analyse zu verfolgen. Lange beschäftigte die Fachwelt die Frage, wie die Syphilis nach Europa gelangte. Hatten sie Rückkehrer aus der Neuen Welt eingeschleppt, als unerwünschtes Souvenir der Expedition von Christoph Kolumbus?
Tatsächlich dürfte es genau so gewesen sein. Erneut verrieten uralte Zähne das Geheimnis: Sie stammten aus Funden in Mexiko, Chile, Peru und Argentinien aus der Zeit um 1492 und davor. Und auch diesmal extrahierten Forschende winzige Mengen bakteriellen Erbguts – und konnten sogar die Verwandtschaftsverhältnisse damaliger und gegenwärtiger Syphilis-Stämme klären. Ergebnis: Alle heutigen Stämme lassen sich auf einen amerikanischen Urahn in Amerika zurückführen, und sie zirkulierten dort bereits vor der Ankunft der Europäer. Ihr Ursprung liegt somit in Amerika, und die Europäer importierten die Syphilis später unfreiwillig in die alte Heimat.
Sex mit Neandertalern
Mittels DNA lassen sich freilich nicht nur die Pfade von Bakterien verfolgen, sondern auch jene des Menschen. „Ancient DNA“, gewonnen aus Tausende Jahre alten Fossilien, trägt wesentlich dazu bei, Wanderungsbewegungen des Homo sapiens zu rekonstruieren. Heute wissen wir nicht nur, dass wir einige Prozent Neandertaler-Erbgut in uns tragen, sondern auch, dass der Zufluss von Neandertaler-Genen hauptsächlich vor 50.500 bis 43.500 Jahren geschah – und dass der moderne Mensch dabei Gene erwarb, die Immunsystem, Stoffwechsel und die Hautfarbe beeinflussen.
Genetische Analysen heutiger europäischer Menschen verraten sogar, welche Einwanderungswelle den stärksten Abdruck im Genom hinterlassen hat – jene aus Afrika vor 45.000 Jahren, eine zweite aus Anatolien vor 11.000 Jahren oder eine dritte aus der eurasischen Steppe vor 5000 Jahren. Zwar sei das Erbgut der Europäer eine bunte Mischung aus allen Migrationswellen, erläuterte das Fachjournal „Nature“, dennoch würden sich je nach Region einzelne Wellen stärker niederschlagen.
Opfer des Vesuv-Ausbruchs in Pompeji
Die Genetik konnte die Verwandtschaftsverhältnisse in Pompeji verstorbener Personen klären.
© AFP/APA/AFP/Handout/POMPEI ARCHAEOLOGICAL PARK
Opfer des Vesuv-Ausbruchs in Pompeji
Die Genetik konnte die Verwandtschaftsverhältnisse in Pompeji verstorbener Personen klären.
So kann DNA-Analytik helfen, das große Panoramabild der Menschheitsgeschichte zu schärfen – und genauso, herausragende Ereignisse in dieser Geschichte zu erhellen. Zum Beispiel die Katastrophe von Pompeji: 79 nach Christus begrub ein Ausbruch des Vesuv die Stadt unter Glut und Asche – und mit ihr Menschen, die im Tod erstarrten, manche von ihnen eng umschlungen.
Familien sollen im Todeskampf zusammengerückt sein, Mütter ihre Töchter schützend umklammert haben. Dachte man zumindest, bis genetische Analysen einiger Opfer zeigten: Für Mütter gehaltene Personen waren in Wahrheit Männer, vermeintliche Familienmitglieder miteinander gar nicht verwandt.
Studien wie diese zeigen eine weitere Eigenschaft der DNA-Technologie: Mitunter widerlegt sie, freilich sehr unromantisch, populäre Narrative, die nicht zuletzt durch allzu menschliche Interpretation und Projektion entstehen und in die Irre leiten können. Romantik hatten Genetiker allerdings auch nie versprochen.
Alwin Schönberger
leitet das Wissenschafts-Ressort.