Christina Warinner ist eine der weltweit führenden Expertinnen auf dem Gebiet der Forschung mit antiker, also uralter DNA. Dazu forscht sie unter anderem am Leipziger Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie (MPI EVA) und an der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Ziel von Warinner und ihren Kollegen: Das Erbgut längst ausgestorbener Bakterien, Pflanzen, Tiere und Frühmenschen zu rekonstruieren, unter anderem um verloren gegangene Biodiversität und den Gang der Evolution besser zu verstehen. Um das Wissen an junge Forscherinnen und Forscher weiterzugeben, veranstaltet Warinner zusammen mit Kollegen einen jährlich wiederkehrenden einwöchigen Sommerkurs, in dem sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über State of the Art bei Methoden und Prozeduren informieren können. MDR WISSEN hat mit Warinner über das Feld gesprochen.

Hat die Analyse antiker DNA in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht? Unser Eindruck ist, dass immer mehr Studien spektakuläre Ergebnisse liefern.

Professor Christina Warinner. Bildrechte: Werner Siemens Foundation, Felix Wey

Das Gebiet der antiken DNA ist in den 1980er-Jahren entstanden. Zu dieser Zeit waren die verfügbaren Labortechniken noch sehr rudimentär. Daher war es sehr schwierig, haltbare Ergebnisse zu bekommen und genügend Daten zu gewinnen, um echte Rückschlüsse auf die Vergangenheit ziehen zu können. Das änderte sich, ich würde sagen, so um die Jahrtausendwende herum. Es gab eine Art Revolution in der DNA-Sequenzierungstechnologie. War DNA-Sequenzierung zuvor nur mit sehr gut erhaltener, intakter DNA möglich, wurde sie nun durch eine neue Methode ersetzt, die kostengünstiger und schneller war und sich für sehr kurze DNA-Fragmente eignete. Das wurde zwar nicht für unser Feld entwickelt, sondern für die Sequenzierung des menschlichen Genoms oder die Analyse von Krebsgenomen. Aber es war eine grundlegende Veränderung auf dem gesamten Gebiet der Biologie und auch für unser Feld ideal, denn wir, die wir mit antiker DNA arbeiten, müssen mit Zeit und Zersetzung umgehen. Unsere DNA ist fragmentiert. Die neue Sequenzierungsmethode war dafür perfekt geeignet und hat zu enormen Fortschritten geführt.

Hinzu kommen enorme Fortschritte in der Datenverarbeitung. Die Datenmenge, die wir produzieren, wird exponentiell größer. Anfang der 2000er-Jahre, als ich meine Karriere begann, konnten wir, wenn wir wirklich, wirklich hart arbeiteten, etwa hundert Sequenzen pro Woche generieren. Heute können wir problemlos 25 Milliarden oder mehr pro Woche analysieren.

Mal grundsätzlich gesprochen: Wie gut erhält sich DNA im Verlauf der Zeit? Was sind die bislang ältesten DNA-Fragmente, aus denen die Forschung noch sinnvolle Informationen gewinnen konnte?

DNA ist ein Polymer und damit eine sehr stabile chemische Verbindung, die über sehr lange Zeiträume erhalten bleibt. Sie besteht aus einer Reihe von Basen (mit den Abkürzungen A, T, C und G), die sich wiederholen und in unterschiedlichen Kombinationen verschiedene Informationen enthalten. Sie sind der Bauplan für die Bausteine des Lebens. Wenn wir DNA verstehen wollen, ist es essenziell, dass die Reihenfolge dieser Basen erhalten bleibt. Dort sind die Informationen gespeichert, und man muss in der Lage sein, die Reihenfolge der Basen zu lesen.

Hier ist das Problem nicht so sehr, dass die DNA vollständig zerfällt. Wir haben DNA, die mehrere zehn oder hundert Millionen Jahre alt ist. Das Problem ist: Die Basen sind wie Perlen auf einer Schnur angeordnet. Und die Schnur dazwischen reißt mit der Zeit. Also: Im Laufe der Zeit, durch Zersetzungsprozesse, durch die Hintergrundstrahlung in der Welt, brechen diese Stränge in immer kleinere Stücke. Und das passiert am Anfang am schnellsten. Wenn man zum Beispiel an das menschliche Genom denkt: Wir haben 23 Chromosomenpaare, die nach ihrer Länge geordnet sind. Chromosom 1 ist also das größte Chromosom. Es ist ein einzelnes DNA-Stück, das 250 Millionen Basenpaare lang ist, also 250 Millionen Buchstaben. Nach dem Tod eines Menschen zerfällt diese lange Kette jedoch schnell in winzige Fragmente, die jeweils weniger als 100 Basen enthalten. Anschließend verlangsamt sich der Zerfall zwar, aber es gibt eine Grenze: Solange diese Fragmente mehr als 30 Basen lang sind, können wir mit ihnen arbeiten.

Was bedeutet das?

Wir können sie sequenzieren, wir können sie interpretieren. Wir können Genome rekonstruieren. Wir können etwas über die Vergangenheit lernen. Sobald sie jedoch weniger als 30 Basen lang werden, wird die Sequenz unspezifisch und dieselbe Buchstabenfolge kann in Bakterien, Menschen und Hunden oder Walen vorkommen. Die älteste DNA, die sequenziert, analysiert und als wirklich alt authentifiziert werden konnte, ist etwa drei Millionen Jahre alt. Das ist bislang unsere Grenze. Nach etwa drei Millionen Jahren beginnt die DNA allein durch die Hintergrundstrahlung aus dem Weltraum in Fragmente von weniger als 30 Basenpaaren zu zerfallen.

Es könnte möglich sein, noch weiter in die Vergangenheit zurückzugehen. Dazu müssten wir jedoch unsere Sequenzierungstechnologien erneut ändern. Die DNA, die wir analysieren, bleibt meistens in mineralisierten Geweben erhalten, also in Knochen oder Zähnen oder Zahnstein oder anderen, manchmal gefrorenen Materialien. Und obwohl die DNA-Kette zerfällt, glauben wir, dass sie größtenteils noch in ihrer räumlichen Anordnung vorliegt. Das Problem ist, dass alle Sequenzierungstechnologien, die wir heute haben, erfordern, dass wir die DNA in eine Lösung geben. Sobald man das tut, wirbelt alles durcheinander und die Informationen gehen verloren. Wenn wir die DNA so sequenzieren könnten, wie sie in den Knochen vorliegt, ohne sie in eine Flüssigkeit oder Lösung geben zu müssen, könnten wir vielleicht die 3-Millionen-Jahre-Barriere durchbrechen.

Ist diese Barriere von 30 Basenpaaren eine harte Grenze, weil sich die codierten Informationen bei kürzeren Abschnitten nicht sinnvoll verstehen oder erkennen lassen?

Wenn man eine Sequenz von weniger als 30 Basenpaaren hat, gibt es einfach eine Menge Unklarheiten darüber, woher sie stammt. Könnte man die DNA-Fragmente in einem Knochen ohne räumliche Veränderung analysieren, könnte man vielleicht sehen: Hier sind 30 Basen, dort weitere 30 und dort noch zweimal 30. Das könnte man zusammenfügen und sagen: Jetzt habe ich 120 Basen. Jetzt kann ich etwas sagen. Aber grundsätzlich gilt: Mit unserer derzeitigen Technologie, da wir sie in eine Lösung bringen müssen, betrachten wir jedes Fragment einzeln, und sobald es unter 30 Basen fällt, können wir nicht mehr feststellen, ob es von einem Bodenbakterium oder einem Menschen stammt.

Und besteht die Möglichkeit, dass es noch erhaltene, längere DNA-Proben gibt, die zum Beispiel tief unten im Ozean verborgen sind und nicht durch Strahlung zerstört wurden?

Ich sage niemals nie, denn sobald ich das tue, werde ich eines Besseren belehrt. Aber die Beispiele, über die ich bisher gesprochen habe, sind die ältesten, die wir kennen. Die drei ältesten DNA-Sequenzen, die wir je erhalten haben, sind 700.000 Jahre alt, eine Million Jahre alt und drei Millionen Jahre alt. Alle stammen aus Permafrost, waren also gefroren und das sind schon die idealen Bedingungen. Die 700.000 Jahre alte DNA stammt von einem Pferd. Die eine Million Jahre alte DNA ist von einem Mammut und die drei Millionen Jahre alte DNA stammt aus einem tiefen Sedimentkern eines Gletschers in Grönland.

Eine Sache, die sich geändert hat: Mit den älteren Sequenzierungstechnologien konnten wir sehr kurze DNA-Fragmente nicht wieder herstellen. Daher dachten wir, dass sehr alte DNA sehr selten ist. Heute wissen wir: Diese DNA ist in archäologischen Materialien reichlich vorhanden. Wir finden sie ständig. Das Problem ist, dass sie sehr stark zerfallen ist. Wir müssen also lernen, mit diesen sehr kurzen Fragmenten zu arbeiten.

Die große Aufgabe für die Wissenschaft besteht also darin, all die kleinen Puzzleteile zusammenzusetzen, um ein großes Bild zu erhalten?

Bildrechte: IMAGO / Zoonar

Ganz genau. Zu Beginn meiner Karriere machte ich die meiste Arbeit im Labor. Es ging um Molekularbiologie und Biochemie, darum, die DNA wiederherzustellen. Diese Methoden sind inzwischen weitgehend ausgereift, und die größere Herausforderung ist die Bioinformatik und die computergestützte Analyse dieser Millionen, wenn nicht Milliarden von Sequenzen. Es ist tatsächlich ein Puzzle. So kann ein menschliches Chromosom 1, eine DNA-Kette von 250 Millionen Basen, durch die zeitlich aufgetretenen Schäden schnell in Millionen Teile zerfallen wie ein Ein-Million-Teile-Puzzle. Bakterielle Genome sind etwas kleiner, und so zerfällt ein typisches bakterielles Genom in etwa 60.000 Teile. Unsere Aufgabe besteht also darin, diese Teile rechnerisch wieder zusammenzusetzen.

Welche Fortschritte erwarten Sie da?

Ein großer Fortschritt war, dass wir inzwischen wesentlich größere Datenmengen haben, die wir analysieren können. Jetzt brauchen wir die Rechenleistung, um diese Daten tatsächlich zu verarbeiten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass unsere Dateien Gigabyte oder Terabyte groß sind, und es kann tatsächlich sehr schwierig sein, Rechencluster zu finden, die groß genug sind. Wir haben also schon lange die Phase hinter uns gelassen, in der wir Analysen auf unseren eigenen PCs durchführen konnten. Wir arbeiten jetzt alle auf großen, zentralen Servern. Und viele der Probleme dort drehen sich um die Art und Weise, wie die DNA wieder zusammengefügt wird.

Es gibt viele verschiedene Strategien, um herauszufinden, welche Teile zusammenpassen, und sie in die richtige Reihenfolge zu bringen. Vor etwa vier Jahren war das erste Mal, dass wir tatsächlich ein altes bakterielles Genom rekonstruieren konnten mit einer sogenannten de novo-Technik, für die kein Referenzgenom nötig war. Wir konnten das Genom allein anhand der alten DNA rekonstruieren und die einzelnen Teile miteinander vergleichen. Das ist unglaublich wichtig, denn wir wissen, dass die Referenzgenome, die wir haben und die auf modernen, heute lebenden Bakterien basieren, nur einen kleinen Teil dessen darstellen, was es in der Vergangenheit gab. Wenn wir also versuchen, unsere alten Daten nur anhand moderner Referenzen zu analysieren, übersehen wir immer etwas. Wir wollen aber die verlorenen Gene, die verlorene Diversität verstehen.

Wie sieht es bei der Forschung zu den Frühmenschen aus, also zur Geschichte von Neandertalern und den modernen Menschen?

Digitale Rekonstruktion: So könnte der Homo Erectus (links) im Vergleich zu heutigen Europäern (rechts) ausgesehen haben. Bildrechte: IMAGO / Depositphotos

Ja, es wird aktuell auch viel zu Eukaryoten geforscht, also eben Pflanzen, Tieren und auch Menschen und Neandertalern. Dort konzentriert sich ein großer Teil der Arbeit aber darauf, mehr Individuen zu finden, also noch mehr Neandertaler, oder mehr Denisova-Menschen. Je mehr Individuen wir haben, desto besser können wir ihre Vielfalt verstehen und desto besser können wir die Vergangenheit rekonstruieren: Wie haben diese frühen Hominiden miteinander und mit den Homo sapiens interagiert? Wir versuchen, so viel DNA wie möglich zu gewinnen, aber je weiter man in der Zeit zurückgeht, desto schwieriger wird es. Wir hatten bisher nur sehr wenig Erfolg bei der Suche nach dem Homo erectus. Das Problem ist: Die bekannten Exemplare stammen nicht aus Permafrostgebieten, und daher ist die DNA stärker beschädigt, und das macht die Arbeit wirklich schwierig. Aber ich bin zuversichtlich, dass wir in den nächsten zehn bis 15 Jahren dennoch Fortschritte erzielen werden. Die Menschen werden sehr kreativ. Es werden ständig neue Technologien entwickelt, die das Problem aus einem anderen Blickwinkel angehen, und ich habe große Hoffnung, dass einige dieser neuen Technologien uns helfen werden, einige unserer derzeitigen Hindernisse zu überwinden.

Werden wir eines Tages das vollständige Genom einiger ausgestorbener Dinosaurierarten erhalten?

Das ist schwer zu sagen. Es gibt da ein paar Probleme. Das eine ist: Wenn es um Eukaryoten geht –also Lebewesen wie Dinosaurier, Vögel, Menschen – deren Genome sind extrem groß. Im Durchschnitt sind sie über eine Milliarde Basen lang, während beispielsweise ein bakterielles Genom im Durchschnitt nur etwa 3 Millionen Basen lang ist. Die andere Sache bei eukaryotischen Genomen ist, dass sie dazu neigen, einige Abschnitte des Genoms zu haben, die sehr repetitiv sind, also sich immer wiederholen. Sie haben insgesamt eine sehr komplexe Struktur. Auch die Genomarchitektur spielt eine Rolle: Man hat die sich wiederholenden Sequenzen oder palindromische Sequenzen. Selbst bei heute lebenden Organismen ist es sehr schwierig, diese Genome zu sequenzieren und jeden einzelnen Teil zu erhalten. Selbst das Genom der heutigen Menschen ist noch nicht wirklich vollständig analysiert und verstanden. Es gibt sogar Teile, wo wir die Reihenfolge der Gene noch nicht kennen. Also: Ein eukaryotisches Genom vollständig zu rekonstruieren, ist sogar bei den heute lebenden Organismen enorm herausfordernd.

Bei der antiken DNA gibt es Teile, die derzeit nicht rekonstruiert werden können. Aber es gibt einige Technologien in der Entwicklung, die es ermöglichen werden, die DNA räumlich zu kartieren. Das kann möglicherweise dabei helfen, Chromosomen besser zu trennen.

Zurück zu den Dinosauriern, wie sieht es da aus?

Wir sprechen da von DNA, die 60 Millionen Jahre alt ist oder älter. Das wäre wirklich sehr weit zurück in der Zeit. Da hängt natürlich alles davon ab, in welchem Maße diese DNA noch nachgewiesen werden kann. Bei den bisherigen Arbeiten mit Überresten dieser Tiere sah es zwar so aus, als gäbe es erhaltende DNA. Aber bei genauerer Untersuchung stellte man dann fest, dass sie fast ausschließlich bakteriellen Ursprungs war. Die Bakterien hatten also die Überreste umfangreich besiedelt, die vorhandene DNA fast vollständig ersetzt.

Vielleicht machen wir irgendwann nochmal einen wirklich außerordentlich gut erhaltenen Fund. Ich würde nicht sagen, dass das unmöglich ist. Aber ein Problem ist: Es gab bislang keine Funde von Dinosauriern in Permafrost. Denn das Klima der Erde hat sich in den 60 Millionen Jahren massiv verändert, alle möglichen Temperaturprofile durchlaufen.

Wenn wir vollständige Genome ausgestorbener Arten hätten, könnten wir sie mit Hilfe von lebenden Organismen nachzüchten?

Es gibt Unternehmen, die versuchen, das zu tun, etwa Colossal Genomics. Sie beginnen aber nicht mit Dinosauriern, sondern arbeiten an Lebewesen wie der Wandertaube und auch an einigen kürzlich ausgestorbenen Bäumen, bei denen wir eine ziemlich gute Vorstellung davon haben, wie das Genom aussehen sollte. Es ist eine große Herausforderung, das dann in einen lebenden Organismus einzubringen. Eines der Dinge, das dabei hilft, ist das CRISPR/Cas 9-Editiersystem, ein von Bakterien gewonnener, fantastischer Mechanismus. Man kann das Genom auf diese Weise bearbeiten. Das Problem bei CRISPR: Ein einzelner Edit gelingt, auch zwei. Aber wir brauchen 10, 20 oder 100 Änderungen und das ist wirklich schwierig. Die Effizienz fehlt, es passieren Fehler, am Ende kämpft man darum, nach vielen Änderungen noch genug Zellen am Leben zu erhalten. Vielleicht schaffen wir genomweite Veränderungen in 20 Jahren.