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Schwarze Todes-DNA in Zähnen gefunden

Schwarze Todes-DNA in Zähnen gefunden

Bei Tausenden von Opfern des Schwarzen Todes und der großen Pestepidemien am Ende der Eisenzeit wurden Überreste des Erbguts von Pestbakterien gefunden. Die DNA-Analysen können den nächsten Pestausbruch vorhersagen.

Biologen der Universität Oslo unternehmen derzeit große Anstrengungen, um den Zusammenhang zwischen Klimawandel, Rattenbefall und den vielen großen Pestepidemien im Laufe der Geschichte zu ermitteln. Das Wissen kann verwendet werden, um den nächsten Pestausbruch vorherzusagen.

Die Pest trat nicht nur im Mittelalter auf. Jährlich gibt es 2.000 Pestfälle. die meisten von ihnen in Madagaskar und Kongo. Außerhalb Afrikas tritt die Pest in den Wüsten Nordamerikas und in großen Gebieten Zentralasiens in einem weiten Gürtel von Georgien über Kasachstan nach China auf.

Die Welt hat in der Common Era drei große und viele kleine Pestepidemien erlitten. Die erste große Pandemie war die Justinianische Pest am Ende der Eisenzeit, die 200 Jahre andauerte. Die nächste Apokalypse war der Schwarze Tod, eine Pandemie, die immer wieder in neuen Wellen auftrat und 400 Jahre andauerte.

Die dritte Epidemie, die Ende des 19. Jahrhunderts in China begann und über Hongkong den Rest der Welt erreichte, dauert noch an. In diesem Sommer starb ein Mann in der nordchinesischen Stadt Yumen an der Pest. 30.000 Einwohner waren isoliert, als Teile der Stadt gesperrt wurden. Im November kam es in Madagaskar sowohl in den Provinzen als auch in der Hauptstadt Antananarivo zu einem Pestausbruch.

Die Entwicklung von Pestbakterien

Die große Frage ist, woher das Pestbakterium stammt, ob die drei Plagen aus demselben Bakterium stammen und wie das Pestbakterium zwischen den Ausbrüchen überlebt hat. Einige Menschen glauben, dass die Seuchen am Ende der Eisenzeit und im Mittelalter zwei verschiedene Krankheiten waren, aber mehrere Studien zeigen, dass sie dieselbe Krankheit waren.

„Die Übergänge zwischen den drei Seuchenausbrüchen sind nicht ganz klar. Es gab auch eine Überschneidung zwischen dem zweiten und dem dritten Ausbruch. Die Pest kann jahrzehntelang vollständig verschwinden und dann zurückkehren “, sagt Professor Kjetill S. Jakobsen vom Zentrum für ökologische und evolutionäre Synthese (CEES) der Universität Oslo gegenüber dem Forschungsmagazin Apollon.

Die Frage ist: Unter welchen Umständen wird die Pest zur Pandemie und was bestimmt den Schweregrad der Epidemie?

„Es ist verlockend zu spekulieren, ob die Ökologie der Orte, an denen die Pandemien begannen, eine Rolle für ihren Zerstörungsgrad spielte. Wir können die schwerwiegenden Pandemien in Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft verstehen, indem wir den Zusammenhang zwischen Klimabedingungen und Pestdynamik untersuchen “, sagt Professor Nils Christian Stenseth, Vorsitzender des CEES.

Untersuchung alter Skelette

Das Verständnis der drei Pestpandemien hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert, da Forscher nun moderne molekulare Methoden anwenden können. Dies ermöglicht die Analyse von DNA-Überresten von Pestbakterien von Pestopfern.

Die italienische Forscherin Barbara Bramati von CEES untersucht die evolutionäre Entwicklung der Pestbakterien und vergleicht den genetischen Code der Pestbakterien während der ersten beiden Pandemien.

Sie findet ihre Antworten in den Zähnen alter Skelette. Die Lymphknoten der Pestopfer schwollen an und verwandelten sich in schwarze Furunkel, in denen sich die Bakterien vermehren würden. Bei vielen Opfern gelangten die Pestbakterien in den Blutkreislauf und damit in die Zahnpulpa. Zusammen mit Archäologen sammelt Bramanti DNA-Proben von den Zähnen von 2.700 Pestopfern aus Europa und Asien. Sie wird auch die Zähne norwegischer Opfer untersuchen.

Sie bohrt einige Millimeter in die Zähne und extrahiert den gesamten DNA-Gehalt der Zahnpulpa. „Die DNA-Überreste sind oft fragmentiert und zerstört. Dies macht die Rekonstruktion des genetischen Materials zu einer mühsamen Aufgabe. “

Das Department of Biosciences am UiO eröffnet jetzt ein völlig neues DNA-Labor, das die Analyse der DNA-Reste in Detritus erleichtert. Das Labor wird das größte seiner Art in Europa sein. "Hier wird es möglich sein, auch kleine Mengen alter DNA zu analysieren."

Solange die Qualität des genetischen Materials gut genug ist, wird sie es mit dem Referenzgenom des Pestbakteriums vergleichen. „Unser Ziel ist es, sowohl die Entwicklung als auch die Ökologie des Pestbakteriums zu untersuchen“, sagt Barbara Bramanti.

Untersuchung von Nagetieren

Es ist nicht klar, wie sich der Schwarze Tod ausbreitete. Schwarze und braune Ratten verbreiten während des dritten Pestausbruchs eine Ansteckung. Obwohl es immer noch keinen Beweis dafür gibt, dass Rennmäuse Träger waren, scheinen Rennmäuse die Ansteckung überraschend gut zu handhaben.

"Es gibt große individuelle Unterschiede, aber viele Menschen können mit einer absurden Menge von Pestbakterien umgehen", sagt Pernille Nilsson, Doktorandin am CEES. Sie hat untersucht, wie viel Rennmäuse tolerieren können.

Der Test wurde in einem Pestlabor in China unweit von Yumen durchgeführt, in dem es diesen Sommer zu einer Pest kam. Die Forscher injizierten so viele Pestbakterien in die Nagetiere, dass fast die Hälfte von ihnen starb. Dies ermöglichte es ihnen, das Genom der überlebenden Individuen mit dem Genom der Toten zu vergleichen.

Mit anderen Worten, Nilsson sucht nach einer genetischen Erklärung dafür, warum das Immunsystem von Rennmäusen so stark gegen das Pestbakterium ist. „Manchmal tötet ein einzelnes Bakterium eine Maus. Gewöhnliche Ratten können die Injektion von 10.000 Bakterien tolerieren. Rennmäuse können 100 Milliarden Bakterien vertragen. Das sind zehn Millionen Mal so viele Bakterien “, sagt Pernille Nilsson.

Um die bestmögliche DNA-Analyse jeder Rennmaus zu erzielen, muss sie diese auch mit dem vollständig sequenzierten Genom der Rennmausart vergleichen. Enorme Arbeit ist mit der vollständigen Sequenzierung des Genoms verbunden. Die Sequenzierung des menschlichen Genoms dauerte zehn Jahre. Als Jakobsens Forschungsgruppe das Genom von Kabeljau identifizierte, dauerte die DNA-Sequenzierung nur wenige Monate, und einige Jahre rechenintensiver DNA-Berechnungen standen dahinter.

Dank der viel schnelleren Labormaschinen und Computerprogramme der Gegenwart hofft Nilsson, das Genom der Rennmaus viel schneller vollständig sequenzieren zu können. Im Moment muss sie sich mit dem teilweise sequenzierten Genom befassen.

China hat bereits DNA aus den Lebern und Milzen von drei verschiedenen Rennmäusen extrahiert und gefriergetrocknet. Die Forscher von UiO überprüften dann die Qualität der DNA, bevor sie entschieden, von welcher Person das Referenzgenom gesammelt werden sollte.

Das Genom einer Rennmaus besteht aus 2,4 Milliarden Basenpaaren. Wenn das Genom sequenziert wird, können jeweils nur einhundert Basenpaare gelesen werden. Um die Position der kleinen Nukleotide im Genom zu bestimmen, müssen sie mehrmals verarbeitet und große Computeranalysen durchgeführt werden, um sie korrekt zu sequenzieren. Und jedes Mal, wenn sie das Genom einer einzelnen Rennmaus mit dem vollständig sequenzierten Rennmausgenom vergleichen, benötigen sie eine Woche Zugriff auf den Supercomputer der Universität.

„Wir müssen die Regionen im Genom finden, in denen es natürliche Unterschiede zwischen Individuen gibt, und die Regionen des Genoms, die spezifische Unterschiede zwischen den überlebenden Rennmäusen und den sterbenden Rennmäusen aufweisen. Wir haben diese Regionen im Genom noch nicht identifiziert “, sagt Nilsson.

Die Forscher glauben, dass der Schutz vor Pest mit einem angeborenen Immunsystem zusammenhängt und dass dies erblich ist. „Wir wissen noch nicht genau, was es ist. Wir befinden uns auf einer "genomischen Fischereiexpedition" und wissen nicht genau, was wir finden werden. Wir haben noch einige Ideen, welche Teile des Immunsystems betroffen sein könnten. “

Vor einigen Jahren entdeckte CEES, dass Kabeljau ein völlig anderes Immunsystem hat als alle anderen Tiere. "Wir können auch einige überraschende Entdeckungen über das Immunsystem von Rennmäusen machen", sagt Nilsson.

Klima-Link

Der niederländische Forscher Boris Schmid von CEES untersucht den Zusammenhang zwischen Klimaschwankungen, Nagetierpopulation und Pestausbrüchen. Er kombiniert historische Zeitreihen mit Pestdaten von Menschen und der Beziehung zwischen Klimawandel und von der Pest betroffenen Nagetieren.

China führt seit 20 bis 30 Jahren auch DNA-Sequenzen des Pestbakteriums durch. Dies macht es möglich zu sehen, wie sich das Pestbakterium in dieser Zeit evolutionär entwickelt hat.

„Diese Daten geben uns eine Vorstellung davon, wie Pest und Klima miteinander verbunden sind, und es ist wichtig, dass wir den nächsten Pestausbruch vorhersagen können“, sagt Boris Schmid.


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