(01.09.2020) Ganze Gruppen von Mikroorganismen kennt man nur anhand ihrer Genomsequenz, während nicht ein einziger Vertreter als Belegprobe in Reinkultur gebracht werden konnte. Besonders betroffen sind naheliegenderweise die Archaeen. Einen offiziellen Namen dürfen diese Organismen laut globaler Richtlinie jedoch nur erhalten, wenn eine Kultivierung gelingt. Jetzt schlagen betroffene Forscher einen Kompromiss vor.
DNA-Sequenzierung in Hochgeschwindigkeit samt Bioinformatik machen es möglich, auch aus dem Metagenom komplexer Proben neue Mikroorganismen anhand ihrer DNA-Sequenzen zu identifizieren. Bisher konnten Forscher allerdings nur für sechs der 27 bekannten Archaeen-Phyla Belegproben kultivieren. Wenn sich neuentdeckte Organismen aber nicht kultivieren lassen, können sie bisher nicht nach klaren Regeln endgültig benannt und taxonomisch eingeordnet werden sowie Eingang in eine konsolidierte Liste finden. So ist es im International Code of Nomenclature of Prokaryotes (ICNP) von 2019 vereinbart. Organismen, von denen nur DNA-Sequenzen bekannt sind, sollen demnach nicht einmal provisorisch als Kandidat (Candidatus) benannt werden. Kein Wunder, hat das angesichts der großen Zahl an neuen, genetisch nachgewiesenen Organismen zu einem Benennungschaos geführt.
Zusammen mit über sechzig Koautoren schlägt der Archaeenforscher Alexander Probst von der Universität Duisburg-Essen in Nature Microbiology (5: 987-94 ) deshalb in einer Roadmap Lösungen für die endgültige Benennung und taxonomische Einordnung nicht-kultivierter Mikroorganismen vor.
Wie kam es zum Roadmap-Vorschlag?
Alexander Probst » Leider sind über 99 Prozent der Mikroorganismen bisher nicht in Reinkultur züchtbar. Bei einem Großteil wird das wohl auch so bleiben. Von ihnen können somit keine reinen Belegproben als Typenmaterial hinterlegt werden. Wir können sie daher häufig nur mit einem vorläufigen Namen benennen und gegebenenfalls als Candidatus kennzeichnen. Seit 2013 wurden sehr viele Mikroorganismen anhand ihrer Genomsequenzen mit neuen Namen versehen, allerdings nicht auf eine einheitliche Weise. Hin und wieder haben Forscher Organismen benannt, die sie gar nicht entdeckt haben, teilweise wurde auch die Kennzeichnung als Candidatus vergessen. Überdies gibt es bei der Genomrekonstruktion immer wieder kleinere Fehler. Man kommt anhand einer Mischung von Genomen aus der Umwelt, also eines Metagenoms, nicht unbedingt zum Genom eines Stammes. Metagenome repräsentieren eher Populationsgenome, die viele Punktmutationen wiedergeben. Man sollte daher besser zirkuläre, nahezu vollständige Einzelgenome oder zusätzliche Informationen wie ökophysiologische Daten vorliegen haben, bevor man zur Benennung schreitet und einen Organismus in den Stammbaum des Lebens einordnet.
Welche Probleme gibt es bei der taxonomischen Einordnung von Mikroorganismen noch?
Probst » Derzeit gibt es drei große Taxonomien für Mikroorganismen, was für zusätzliche Verwirrung sorgt. Für die Taxonomie des National Center for Biotechnology Information (NCBI) kann jeder eine neue Taxonomie für eine Klade – das heißt für einen Evolutionszweig – vorschlagen, wenn diese in einem begutachteten Artikel erwähnt wird. Die von Phil Hugenholtz initiierte Genome Taxonomy Database (GTDB) am Australian Centre for Ecogenomics in Brisbane beruht auf reinen Genomdaten. Die dritte Taxonomie liegt in der SILVA-Datenbank des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen vor. Durch das gleichzeitige Vorhandensein von mehreren Taxonomien kommt es zu Doppelbenennungen und Wiederverwendungen von Namen. Deshalb benötigen wir ein Komitee, das die Namen für unkultivierte Mikroorganismen validiert und überprüft, ob die taxonomische Einordnung korrekt ist.
Die drei Lösungsvorschläge Ihrer Roadmap sind nun: Modifizierung der bestehenden Richtlinien, sodass auch DNA als Typenmaterial anerkannt wird; die Erstellung eines separaten Kodex für die Nomenklatur von bisher nicht-kultivierten Bakterien und Archaeen; und die Vereinigung beider Kodizes zu einer neuen Richtlinie. Welchen der Lösungsvorschläge würden Sie bevorzugen?
Probst » Ich würde die Listen für kultivierbare und nicht-kultivierte Mikroorganismen getrennt halten. Wenn es keinen kultivierten Vertreter gibt, sollte DNA als Typenmaterial für die taxonomische Einordnung entscheidend sein. Sobald man einen Organismus kultivieren kann, sollte er in die validierte Liste aufgenommen und entsprechend eingeordnet werden. Forscher, die einen Mikroorganismus in Kultur gebracht haben, sollten ihn auch benennen dürfen – unabhängig davon, ob es bereits einen Candidatus-Namen gibt oder nicht. Physiologische Daten haben zum Beispiel auch in der Medizin einen höheren Stellenwert als genomische.
Die Liste mit kultivierten Vertretern sollte daher der Liste mit unkultivierten Vertretern übergeordnet sein. Zumal die genauere Kenntnis eines Mikroorganismus anhand physiologischer Daten auch eine passendere Namensgebung erlaubt. Der erste Lösungsvorschlag, also die Zulassung von DNA als Typenmaterial, ist ja bereits bei einer Abstimmung des International Committee on Systematics of Prokaryotes (ICSP) abgelehnt worden. Die anderen Koautoren der Roadmap haben zu diesem Thema aber sicherlich unterschiedliche Meinungen.
Wie gehen Sie die Problematik der schwierigen Kultivierbarkeit der Archaeen an?
Probst » Unser Ansatz ist, die In-Situ-Bedingungen draußen in der Natur im Labor zu reproduzieren. Ich erforsche Mikroorganismen aus der Erdkruste sowie ihre Interaktionen untereinander und mit neuartigen Viren. Wir lagern unsere Proben unter geeigneter Begasung bei zwanzig Bar Druck und entnehmen immer wieder Mikroorganismen, an denen wir die Kulturbedingungen austesten. So müssen wir nicht ständig neue Proben durch aufwendige Bohrungen gewinnen. Die Altiarchaeota versucht man ja seit zwanzig Jahren zu kultivieren – bislang erfolglos. Eine japanische Gruppe hat kürzlich einen Vertreter der Lokiarchaeota nach mehreren Jahren endlich in Kultur gebracht. Ungeachtet der schwierigen Kultivierbarkeit faszinieren mich Archaeen einfach durch ihre physiologischen und ultrastrukturellen Besonderheiten. Das kann schon viel Entdeckerdrang befriedigen.
Welche Arten von Belegen sollten demnach für Neuentdeckungen aus Metagenomen hinterlegt werden?
Probst » Meiner Ansicht nach sollte für einen neuen Organismus idealerweise ein komplettes Genom hinterlegt werden. Bisher gibt es hierzu keine strengen Regeln. Die Sequenzdaten könnten bei der International Nucleotide Sequence Database Collaboration (INSDC) hinterlegt werden, wozu auch die NCBI GenBank oder das European Nucleotide Archive (ENA) des Europäischen Bioinformatik-Instituts EMBL-EBI gehören.
Gibt es zu Archaeen überhaupt genug genomische und andere Daten, um sie endgültig taxonomisch einzuordnen?
Probst » Wir haben noch nicht genügend Proben aus allen Bereichen des Lebensbaumes der Archaeen, um alle Abzweigungen genügend aufzulösen. Es gibt hierbei noch andere Probleme. 2014 haben wir beispielsweise die Altiarchaeles als Ordnung innerhalb der Euryarchaeota mit dem provisorischen Candidatus-Status benannt. Wir hatten neben Genomsequenzen auch physiologische Daten wie Proteinstabilitäten, Ultrastruktur, Membranstruktur und Teilungsstadien vorliegen. Inzwischen weiß man aufgrund weiterer Daten, dass es sich um ein eigenes Phylum, die sogenannten Altiarchaeota, handelt. Das NCBI hat die revidierte Einordnung leider nicht mehr angenommen, obwohl wir diese veröffentlicht haben. Die GTDB hat das Phylum in ihrer neuesten Ausgabe sogar umbenannt – in Altarchaeota. Da verliert man leicht den Überblick. Daher finde ich es verfrüht, die Taxonomie der tiefen Abzweige jetzt schon in Stein zu meißeln.
Eine verbindliche und zurückverfolgbare Namensgebung ist für die Kommunikation in der Wissenschaft allerdings dringend notwendig – beispielsweise für das Literaturstudium und für das Unterrichten junger Wissenschaftler. Das derzeitige System der Namensgebung sollten wir beibehalten, bis wir eine stabile Phylogenie aufgebaut haben, um davon dann eine Taxonomie der Unkultivierten abzuleiten.
Welche Änderungen des phylogenetischen Stammbaums der Archaeen erwarten Sie in den kommenden Jahren?
Probst » Wir sind gerade einmal am Anfang der Umweltgenomik. Die Phylogenie der Archaeen wird in den nächsten Jahren noch mindestens fünf- bis sechsmal umgekrempelt werden, bis wir eine Sättigung bei der Beprobung erreicht haben und der Baum des Lebens einigermaßen stabil sein wird.
In der Roadmap schlagen Sie und Ihre Koautoren ein automatisiertes System für die Benennung und taxonomische Einordnung nicht-kultivierter Prokaryoten vor. Gibt es Überlegungen, wie dieses aussehen könnte?
Probst » Die GTDB errechnet den phylogenetischen Baum, platziert einen neuen Organismus und ordnet ihn taxonomisch ein. Ich finde, eine attraktive Möglichkeit für eine Standardisierung wäre die Verwendung der Nukleotid-Distanz anhand des Vergleichs ganzer Genome. Bei 95 Prozent Übereinstimmung könnte man zum Beispiel einen neuen Organismus einer Spezies, bei 80 Prozent Übereinstimmung einer Gattung zuordnen. Es gibt bereits Plattformen zur Berechnung der durchschnittlichen Nukleotid-Identität, zum Beispiel aus dem Labor von Kostas Konstantinidis am Georgia Institute of Technology. Bisher wird diese Methode jedoch wenig angewendet.
Welche Probleme lässt die Roadmap offen, die noch zu lösen wären?
Probst » Es gibt es vor allem technische Fragen, zum Beispiel wie man die Genomqualität bei Archaeen einschätzt. Wie komplett liegt ein Genom vor? Wie viele kontaminierende Sequenzen sind enthalten? Für diese Analysen benötigt man Gene, die in einer einzelnen Kopie im Genom vorkommen. Diese sind aber bei Archaeen seltener als bei Bakterien. Bei den Haloarchaeen gibt es beispielsweise ausgeprägten horizontalen Gentransfer. Dadurch ist es manchmal schwierig, Metagenome zusammenzusetzen und letztlich auf eine Art zu schließen.
Wann wird es Ihrer Meinung nach Zeit für die nächste Roadmap?
Probst » Nach dem Scheitern des Vorschlags, DNA als Typenmaterial anzuerkennen, muss sich ein internationales Konsortium zur Benennung von unkultivierten Archaeen und Bakterien finden. Sollte auch dieser Prozess fehlschlagen, benötigen wir neue Pläne, wie wir weiter vorgehen. Die bisherigen Taxonomien füllen zwar eine Lücke, führen aber zu einem Benennungschaos. Es kann auch nicht sein, dass einzelne Wissenschaftler ihre private Taxonomie einführen, ohne die Scientific Community einzubeziehen, um einen Konsens zur Vorgehensweise zu suchen.