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Umwelt+Natur

Artbestimmung: DNA-Barcoding für alle

DNA
https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-021-01141-x

Die Artenvielfalt auf unserem Planeten ist riesig, doch wie viele und welche Spezies es gibt, ist bisher erst zu einem Bruchteil bekannt. Dies liegt unter anderem daran, dass oft nur wenige Spezialisten die subtilen Merkmale und Unterschiede der Spezies erkennen können. Das aber könnte sich nun ändern: Wissenschaftler haben die Bestimmung mithilfe des genetischen „Barcodings“ jetzt so vereinfacht und verbilligt, dass es bald jeder Laie anwenden kann.

Ob Amphibien, Insekten oder exotische Pflanzen: Weltweit schreitet der Artenverlust immer schneller voran – rund eine Million Spezies sind Schätzungen zufolge akut vom Aussterben bedroht. Die vereinte Wirkung von Klimawandel, Lebensraumverlust und direkter Ausrottung lässt die Artenvielfalt vielerorts in dramatischen Ausmaß schwinden. Doch all dies könnte nur die Spitze eines Eisbergs sein, weil ein Großteil der Organismen auf unserem Planeten uns noch gar nicht bekannt sind. Nach Schätzungen von Experten könnte es noch bis zu 20 Millionen unentdeckte Arten geben.

Genschnipsel statt äußerer Merkmale

Das Problem dabei: Die Bestimmung von Tier- und Pflanzenarten ist aufwendig und oft verfügen nur wenige Spezialisten weltweit über das nötige Wissen, um bestimmte Spezies anhand subtiler äußerer Merkmale voneinander zu unterscheiden. Hinzu kommt, dass einige Arten sich äußerlich so stark ähneln, dass eine klare Abgrenzung als Art allein aufgrund dieser Eigenschaften kaum möglich ist. Unter anderem deshalb greifen Biologen inzwischen zunehmend zu einer Methode, die ihnen die „inneren Werte“ eines Lebewesens zeigt – die Gene. Anhand der Unterschiede im DNA-Code lassen sich nicht nur Arten voneinander trennen, auch noch unerkannte Spezies können so identifiziert werden.

Möglich wird dies mithilfe des sogenannten DNA-Barcoding. Dabei werden Ausschnitte des genetischen Codes eines Tieres oder einer Pflanze ausgelesen und mit in zentralen Datenbanken abgespeicherten Gencodes verglichen. Anders als bei einer kompletten Genomsequenzierung wird dabei aber nicht das gesamte Erbgut ausgewertet, sondern nur bestimmte „Tags“ – kleine Ausschnitte des DNA-Codes, die Zugehörigkeiten und Verwandtschaften besonders gut widerspiegeln. Meist stammen diese Abschnitte nicht aus dem im Zellkern liegenden Erbgut, sondern aus der mitochondrialen DNA, den Genen, die in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien liegen.

Barcoding einfach und günstig

Bisher allerdings war dieses Barcoding teuer und aufwendig – das soll sich nun ändern. Wissenschaftler um Amrita Srivathsa von der Nationalen Universität Singapur ist es gelungen, das Barcoding drastisch zu vereinfachen. Möglich wurde dies dank einer neuen Generation von Sequenziermaschinen, den sogenannten MinION. Diese passen in jede Hosentasche und können innerhalb kürzester Zeit Ergebnisse liefern. „Uns ist es glücklicherweise gelungen, die Arbeitsschritte so weit zu vereinfachen, dass sich die Kosten auf weniger als zehn Cent pro Exemplar reduzierten“, erläutert Srivathsan. „Dies erst macht den breiten Einsatz dieser Methodik für die Biodiversitätsentdeckung und die Überwachung des Verlusts von Arten möglich“.

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In umfangreichen Tests überprüfte das Forschungsteam zudem, ob sich das miniaturisierte Gerät auch für die breite Bestimmung von Arten eignet und den genetischen Code mit ausreichender Präzision auslesen kann. Das Ergebnis war positiv: „Wir dokumentieren, dass die MinION-Barcodes zu mehr als 99,9 Prozent identisch mit den etablierten Barcodes von Sanger und Illumina sind“, berichtet das Team. Bei einer Feldstudie in Singapur haben Studenten der Universität bereits mehr als 33.000 Pflanzen und Tiere in einem Mangrovengebiet mittels MinION untersucht. Als Ergebnis wurden mehr als 150 neue Arten von Insekten und anderen Mangrovenbewohnern entdeckt.

Artbestimmung für alle

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte das vereinfachte und kostengünstige Barcoding eine ganz neue Ära der Artbestimmung einläuten. Denn damit können auch Laien innerhalb kurzer Zeit lernen, Tierarten in Garten, Feld oder Wald mithilfe des MinION Systems zu bestimmen und zu dokumentieren. Ein ergänzendes frei zugängliches Bioinformatik-Tool namens ONTbarcoder macht dann die MinION-Ergebnisse für jedermann interpretierbar. „Wir sind überzeugt, dass die vorgestellte Methode zum Schutz der Artenvielfalt beiträgt und einer Vielzahl von Interessensgruppen, wie Regierungsorganisationen, Universitäten, Museen und privaten Verbänden, bei der Biodiversitätsforschung helfen wird“, sagt Rudolf Meier Leiter des Zentrums für Integrative Biodiversitätsentdeckung am Museum für Naturkunde Berlin.

Quelle: Museum für Naturkunde – Leibniz-Institut für Evolutions- und Biodiversitätsforschung; Fachartikel: BMC Biology, doi: 10.1186/s12915-021-01141-x

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