Das Protein, das die DNA-Sequenzierung revolutionierte

Dieses bahnbrechende Bakterium heisst Thermus aquaticus und kann Temperaturen von bis zu 80 °C standhalten. Es ist ein Beispiel für einen Extremophilen – einen Organismus, der in extremen Umgebungen leben kann, z. B. bei sehr heissen oder sehr kalten Temperaturen, einem hohen Salz- oder Säuregehalt, einem hohen Umgebungsdruck oder ionisierender Strahlung.

«Extremophile haben eine Reihe von Strategien entwickelt, um in feindlichen Umgebungen zu überleben oder sogar zu gedeihen», sagt Ianina Altshuler, Assistenzprofessorin mit Tenure-Track-Status im Labor Microbiome Adaptation to the Changing Environment (MACE) der EPFL. Ihre Forschungsgruppe untersucht Extremophile, die in Kryo-Umgebungen leben, um zu verstehen, wie sie sich an ultratiefe Temperaturen angepasst haben: «Viele dieser Organismen produzieren Proteine, die speziell an die Kälte angepasst sind, wie etwa Enzyme, deren optimale Aktivitätstemperatur relativ niedrig ist», sagt Altshuler.

Berühmt für ihre Überlebensstrategien

Die aussergewöhnlichen Fähigkeiten von Extremophilen haben in einigen Fällen für Schlagzeilen gesorgt. So kann Deinococcus radiodurans, ein Bakterium, das 1956 in Konserven entdeckt wurde, hohen Dosen von Gammastrahlung widerstehen. Halomonas titanicae, ein Bakterium, das 1991 aus dem Wrack der Titanic isoliert wurde, kann in stark salzhaltiger Umgebung leben; seine Anwesenheit beschleunigt die Korrosion von Metall – bis zu dem Punkt, an dem die Metallteile des Wracks vollständig zerfallen könnten.

Thermus aquaticus wurde 1969 von Thomas D. Brock und Hudson Freeze im Yellowstone National Park entdeckt. Das Bakterium ist dafür bekannt, dass es ein Protein namens Taq-Polymerase herstellt – ein hitzeresistentes 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 in den PCR-Tests, die wir während der Pandemie gemacht haben), die es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglicht, bestimmte DNA-Fragmente auszuwählen und sie dann zu vervielfältigen, indem sie eine grosse Anzahl von Kopien erstellen. «Wir können DNA-Fragmente im Allgemeinen nicht beobachten, ohne sie zu vervielfältigen – sie sind zu klein», sagt Altshuler. Die PCR-Methode, die eine solche Vervielfältigung ermöglicht, ebnete den Weg für die DNA-Sequenzierung, die in den Forschungslabors zur gängigen Praxis wurde. Die Methode ermöglichte die Kartierung des menschlichen Genoms. Sie wird auch für medizinische Diagnosen, zum Aufspüren von Genmutationen und zur Unterstützung der Forschung in den Bereichen Forensik, Landwirtschaft, Umweltwissenschaften usw. eingesetzt. Ihr Erfinder, Kary B. Mullis, erhielt dafür 1993 den Nobelpreis für Chemie. 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 vervielfältigen, müssen Wissenschaftler es einer Reihe von Wärmezyklen aussetzen: Zunächst 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 der Zyklus wird wiederholt. Während die meisten gängigen Enzyme bei etwa 30 °C aktiv sind – was für diese thermischen Zyklen zu niedrig ist – kann die Taq-Polymerase die erforderlichen höheren Temperaturen aushalten.