Sequenzierung von Umwelt-DNA Blutegel: Helfer gegen die Pandemien der Zukunft

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Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) im Forschungsverbund Berlin e.V.

Um Pandemien erfolgreich zu bekämpfen, müssen wir möglichst früh die jeweiligen Viren kennen. Hier helfen Wasserproben und Blutegel. Diese liefern Umwelt-DNA von ihren Wirtstieren sowie den verschiedenen Viren, die sich dort ausgebreitet haben. Per Hochdurchsatz-Sequenzierung haben Forscher des Leibniz-IZW nun u. a. ein bisher unbekanntes Coronavirus in Südostasien gefunden.

Berlin – Viren gibt es auf der ganzen Welt. Wir kennen nur einen Bruchteil von ihnen, was dazu führt, dass es uns mitunter kalt erwischt – wie zuletzt mit dem Coronavirus SARS-CoV-2. Um möglichst gut auf neuartige Erreger vorbereitet zu sein, ist es hilfreich, die Reservoire von Wildtierviren zu finden und zu überwachen. Viele Gebiete, die von Wildtieren bewohnt werden, sind aber schwer zugänglich und die betreffenden Arten schwer zu finden oder zu fangen. Um Pandemien in Zukunft zu verhindern, werden also dringend neue und effektive Methoden benötigt, mit denen sich die in Wildtieren zirkulierenden Viren aufspüren und überwachen lassen.

Einen Ansatz testete ein Team unter der Leitung des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW). Die Forscher nahmen Wasserproben aus Wasserlöchern und Proben von Blutmahlzeiten von Blutegeln, um darin nach Viren von Säugetieren zu suchen, die möglicherweise ins Wasser ausgeschieden oder von den Blutegeln aus den Säugetierwirten aufgenommen worden waren. Da Viren-DNA in Umweltproben üblicherweise von geringer Quantität und Qualität ist, verwendeten die Wissenschaftler einen speziellen „Hybridisierungs-Bindung“-Ansatz, um die Viren-DNA anzureichern. Diese Methode erlaubte es ihnen, sowohl bekannte also auch bisher unbekannte Viren im Wasser sowie in den Blutegelproben nachzuweisen und zu identifizieren.

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Die DNA aus Wasserproben zeigte mehrere Viren, die bei Zebras und Wildeseln vorkommen. Dies war zu erwarten, weil diese Tiere die Wasserlöcher häufig in großer Zahl besuchen. Da die Viren auch im Wasser noch immer infektiös sind, könnte das Wasser selbst die Erreger übertragen. In den Blutegeln aus Südostasien haben die Forscher mehrere bekannte sowie neuartige Viren identifiziert. Von besonderem Interesse ist ein bisher unbekanntes Coronavirus, welches möglicherweise eine neue Gattung in der Familie der Coronaviridae darstellt und mit Hirsch-Arten assoziiert zu sein scheint.

„Bei vielen der tödlichsten Viren wie Ebola ist ihr genauer Ursprung noch immer unbekannt“, sagt Prof. Alex Greenwood, Leiter der Abteilung für Wildtierkrankheiten. „Die aktuelle Pandemie zeigt, dass wir noch sehr wenig über die virale Vielfalt in der Natur wissen. Neue Methoden könnten uns helfen, bisher unbekannte Viren und ihre potenziellen Wirte zu identifizieren ¬– ohne die üblichen logistischen und ethischen Probleme, die mit der direkten Entnahme von Wildtierproben verbunden sind.“

Blutegel als Probensammler

Umwelt-DNA wurde bereits für viele wissenschaftliche Untersuchungen verwendet. So konnte z. B. die biologische Vielfalt in unzugänglichen Regionen erfasst werden. Neuerdings dienen diese Umwelt-DNA-Quellen auch der Pathogenforschung. Die Erbgut-Spuren aus Wasser und von blutsaugenden wirbellosen Tieren können in verschiedenen Umgebungen nützlich sein. „An Land lebende Blutegel sind in Gebieten in Südostasien, in den schon früher häufig neue Viren entdeckt wurden, sehr häufig“, erläutert Dr. Niccolò Alfano, ein ehemaliger Postdoktorand der Abteilungen für Wildtierkrankheiten und Ökologische Dynamik am Leibniz-IZW. „Ihre Blutmahlzeiten können sowohl zur Identifizierung ihrer Säugetierwirte als auch der im Säugetierblut enthaltenen Erreger verwendet werden.“

In den Blutegelproben identifizierten die Wissenschaftler Säugetierviren aus fünf verschiedenen Virusfamilien; mehr als die Hälfte der Proben enthielt nachweisbare Säugetierviren. „Am interessantesten war die Entdeckung eines neuartigen Coronavirus, da dies zeigte, dass wir mit unserer Methode in der Lage sind, bisher unbekannte virale Erreger zu entdecken, die in Wildtieren zirkulieren“, sagt Alfano. Dies kann helfen, potenziell infektiöse Viren in einem frühen Stadium zu identifizieren und somit einen entscheidenden Beitrag dafür zu leisten, zukünftige Epidemien zu verhindern.

Weitere DNA-Quellen untersuchen

Um die neu entdeckten Viren zu charakterisieren, z. B. durch die Sequenzierung ihrer kompletten Genome und die Bestätigung der Wirtsvirusbeziehungen, ist weiterführende Forschung nötig. Wo es keine Wasserlöcher oder Blutegel gibt, bieten sich möglicherweise der Boden (oder Sedimente in ausgetrockneten Flussläufen), Fäkalien und andere blutsaugende Insekten als weitere Quellen für Nukleinsäuren an. Sie würden die direkten Tierproben ergänzen und könnten helfen, neue Viren zu entdecken und zu überwachen.

Originalpublikation: Alfano N, Dayaram A, Axtner, J. Tsangaras, K. Kampmann, M.-L., Mohamed, A., Wong, S.T., Gilbert, M.T.P. Wilting, A., Greenwood, A. D.: Non-invasive surveys of mammalian viruses using environmental DNA, METHODS ECOL EVOL (2021); DOI:10.1111/2041-210X.13661

* J. ZWilling, Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW), 10315 Berlin

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