Zahnstein aus der Steinzeit

Molekularbiologische Zeitreisen

Voraussetzung für den Zugang zu Naturstoffen aus der Vergangenheit sind Überreste von Mikroorganismen, die Jahrhunderte und Jahrtausende überdauert haben. Dafür eignen sich vor allem zwei Quellen menschlicher Fossilien: Sogenannter Koprolith – das sind versteinerte Exkremente – und Zahnstein. Zahnbelag, auch Plaque genannt, ist das einzige Material des menschlichen Körpers, das bereits zu Lebzeiten versteinert. Der resultierende Zahnstein ist ein mineralisierter »Bakterienfriedhof«. Das feste Gerüst aus Kalzium-Phosphatverbindungen im Zahnstein ist eine gute Matrix, um die mikrobielle DNA über lange Zeit zu konservieren. 

Aus prähistorischem Zahnstein lässt sich also das Mikrobiom unserer Urahnen rekonstruieren. Der Weg zu prähistorischen Naturstoffen aus den Mikroben ist dann aber noch lang und braucht jede Menge modernster Technologie. »Zunächst muss aus den Proben die DNA isoliert und sequenziert werden«, erklärt Stallforth. Da die Bakteriengenome nach Jahrtausenden in der Regel nicht mehr intakt und vollständig vorliegen, müssen sie aus vielen einzelnen Bruchstücken, wie ein Puzzle korrekt zusammengesetzt werden. Ist dann die steinzeitliche Erbinformation rekonstruiert, wird mit bioinformatischen Methoden nach Genen für die Synthese bakterieller Naturstoffe gefahndet.

Jurassic Park im Labor

Dass dieses Konzept funktioniert, konnte das Team um Pierre Stallforth bereits mehrfach unter Beweis stellen. So haben die Forschenden 2023 in einer viel beachteten Studie in der Fachzeitschrift »Science« den Zahnstein von Neandertalern und modernen Menschen untersucht und verglichen. Dabei konnten sie feststellen, dass sich in der steinzeitlichen Mundflora neben einer ganzen Reihe von Mikroben, die auch heute noch vorkommen, zahlreiche Bakterien tummelten, die es so heute nicht mehr gibt. »Möglicherweise sind diese Mikroben mit den Neandertalern ausgestorben. Möglicherweise sind sie aber auch durch die Klimaänderungen oder Veränderungen unserer Ernährung und Lebensweise verdrängt worden«, so Stallforth.

Besonders ergiebig war eine Zahnstein-Probe eines rund 18 500 Jahre alten Skeletts einer Frau, das 2010 in Spanien gefunden wurde. Darin fanden die Forschenden Genome von verschiedenen Chlorobium-Arten. Dabei handelt es sich um grüne Schwefelbakterien, die Fotosynthese betreiben. Vermutlich stammten diese Bakterien aus Wasserquellen, aus denen die Menschen damals getrunken haben.

Die rekonstruierten Chlorobium-Genome haben die Forschenden nach Biosynthese-Genen durchforstet, was wie Pierre Stallforth sagt, sehr aufregend war: »Ein bisschen wie in Jurassic Park«, denn, »wir wussten nicht, welche Reaktionen die Enzyme katalysieren, für die diese Gene den Bauplan liefern.« Um das herauszufinden, wurden die steinzeitlichen Gene in neuzeitliche Bakterien eingeschleust und so praktisch »wiederbelebt«. Was die Bakterien unter anderem produzierten, haben Stallforth und sein Team »Paläofurane« getauft. Was diese prähistorischen Naturstoffe in den Bakterien für Funktionen hatten, wissen die Forschenden allerdings noch nicht. »Es sind scheinbar keine Antibiotika«, sagt Stallforth.

Dynamisches Mikrobiom

Es gäbe verschiedene Möglichkeiten, wozu die Bakterien aus dem Zahnstein Paläofurane hergestellt haben könnten. Pierre Stallforth vermutet, dass es sich um Signalmoleküle handelt, doch das müssen erst weiterführende Tests zeigen.

Auch wenn sich die Paläofurane noch nicht direkt mit einer konkreten Anwendung nutzen lassen, ist das Ergebnis für die Forschenden ein Gewinn. »Wir können damit zum einen zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, Naturstoffe aus ausgestorbenen Mikroorganismen wiederherzustellen. Zum anderen gewinnen wir so Einblicke in die chemische Zusammensetzung eines Mikrobioms, das heute nicht mehr existiert.« Das seien wichtige Erkenntnisse, betont Stallforth.

Ihm und seinem Team gehe es innerhalb des Clusters auch darum, das dynamische Gefüge der Naturstoffe in mikrobiellen Gemeinschaften zu analysieren. »Jede Substanz, die von Mikroorganismen produziert wird, hat nicht nur einen Zweck für die jeweilige Art selbst. Sie wird auch von anderen Organismen im Mikrobiom wahrgenommen und teilweise chemisch verändert, wodurch sich neue Eigenschaften oder Funktionen ergeben.« Auf diese Weise kommunizieren die Organismen miteinander und verändern ihre Umgebung. »Die Chemie in einem mikrobiellen Ökosystem ist immer in Bewegung.«