Zeitreise durch die Genomik Evolutionsmüde Phagen aus 1.000 Jahre alten Stuhlproben

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Es ist ein evolutionäres Wettrüsten zwischen Bakterien und Viren, die Bakterien befallen, den so genannten Bakteriophagen: Wenn eine Seite sich verändert, zieht die Gegenseite bald nach. Doch nun haben Forscher in Stuhlproben aus dem Mittelalter einen Phagen-Stamm entdeckt, der seit über 1.000 Jahren genetisch nahezu unverändert geblieben ist.

Viren passen sich schnell an neue Bedingungen an, was mit einer Veränderung ihres Genoms einhergeht. Das gilt auch für eine spezielle Gruppe von Viren, den Bakteriophagen. Ein Forschungsteam aus Polen, den Niederlanden und Deutschland hat nun erfolgreich zahlreiche alte Phagen-Genome rekonstruiert. Ein besonderer Schatz für die Forschung sind dabei Jahrhunderte bis Jahrtausende alte Proben aus dem menschlichen Darm und des Stuhls. Sie stellen eine bislang weitestgehend unerforschte Quelle für mikrobielle Vielfalt dar

Bereits in der Vergangenheit haben Wissenschaftler mithilfe von modernen Methoden, wie der Metagenom-Sequenzierung, die DNA von Bakterien rekonstruiert. So lassen sich neue Einsichten über die Beschaffenheit des menschlichen Darmmikrobioms aus dem vorindustriellen Zeitalter erhalten. „Wir wollten diese bereits vorhandene Datenbank auf Überreste von Bakteriophagen, also bakterienbefallende Viren, untersuchen“, sagt Piotr Rozwalak, Erstautor der aktuellen Studie und Doktorand in der Gruppe rund um den „Balance of the Microverse“-Professor Bas Dutilh an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. In ihrer nun publizierten Arbeit haben die Forschenden eine Vielzahl von prähistorischen Phagen-Genomen identifiziert und rekonstruiert.

Evolutionsgeschichte von Darmmikroben

Von Menschen, Därmen und Mikroben

Phagen entgegen der Erwartung kaum verändert

„Bakteriophagen befinden sich in einem ständigen Aufrüstungswettbewerb mit ihren Wirten, also den Bakterien. Deshalb verändern sie sich ständig“, beschreibt Erstautor Rozwalak. „Umso ungewöhnlicher ist, dass wir auf ein Phagengenom gestoßen sind, das mit dem des gegenwärtigen Mushuvirus mushu beinahe identisch ist.“ Die Bakteriophage Mushuvirus mushu ist dafür bekannt, Darmbakterien zu befallen.

Während das untersuchte Phagengenom aus einer 1.300 Jahre alten Stuhlprobe aus Mexiko stammt, haben aktuelle Nachweise des Mushuvirus mushu ihren Ursprung in Abwasserproben aus Frankreich. Dabei stimmen die DNA-Sequenzen in den beiden Proben laut den Forschenden zu 97,7 % überein. „Wahrscheinlich ermöglicht die Tatsache, dass der Bakteriophage in das bakterielle Genom eingebaut ist, eine lange und stabile Beziehung zwischen ihnen, ohne das traditionelle Wettrüsten, das für Viren und ihre Wirte typisch ist“, erläutert Rozwalak. Dies könnte erklären, warum es bei diesem speziellen Phagen anscheinend keine nennenswerte Evolution in den vergangenen 1.300 Jahren gegeben hat. Das widerspricht der verbreiteten Annahme einer generell hohen Mutationsrate bei Viren und erweitert somit das Verständnis für deren Evolution.

„Diese Entdeckung beweist nicht nur, dass es möglich ist, alte Phagen-Genome zu rekonstruieren. Vielmehr zeigt sie, dass noch viel Wissen über die Vielfalt und Evolution von Viren im Dunkeln schlummert“, sagt Rozwalak. Diese virale Diversität zu katalogisieren und damit weiterer Forschung zugänglich zu machen, ist eines der nächsten Ziele der Forschenden.

Originalpublikation: Rozwalak, P., Barylski, J., Wijesekara, Y. et al.: Ultraconserved bacteriophage genome sequence identified in 1300-year-old human palaeofaeces, Nat Commun 15, 495 (2024); DOI: 10.1038/s41467-023-44370-0

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