Bakterien bunkern

Bakterien bunkern
Der Vorläufer des Mikrobiota-Tresors: Hunderte von Stuhlproben lagern derzeit noch in herkömmlichen Labortiefkühlern bei minus 80 Grad Celsius. (Foto: Universität Basel, Niklas Bienbeck)

Von Samuel Schläfli, Universität Basel

Basel – Unsere Gesundheit hängt stark von der Vielfalt an Mikroorganismen im Körper ab. Doch die Diversität dieses «Mikrobioms» geht rapide zurück. Ein internationales Forschungskonsortium will deshalb einen Tresor bauen, um besonders wertvolle Mikrobengemeinschaften langfristig zu erhalten.

Es klingt ein wenig wie aus einem James-Bond-Film: In einem ausrangierten Armeebunker in einem abgeschiedenen Schweizer Bergtal lagern Millionen von kleinen Behältern mit Bakterien, Viren, Pilzen und Archaeen. Bei bis zu – 196°C, hinter meterdicken Mauern und unter strengen Sicherheitsvorkehrungen. Jeden Tag kommen neue Mikroorganismen von überall auf der Welt hinzu – etwa eine Stuhlprobe mit Darmbakterien der Massai in der Serengeti oder ein Stück fermentierter Kohl mit Bakterien aus Südkorea. Über die Zeit entsteht so ein Archiv der weltweit vorkommenden Mikrobengemeinschaften, die als besonders erhaltenswert gelten. Noch existiert dieses Archiv nicht, aber es ist die langfristige Vision der internationalen Initiative «The Microbiota Vault», des «Tresors für das Mikrobiom».

Hinter dem Grossprojekt steht ein Kernteam von 19 Forschenden aus den USA und Europa, darunter Pionierinnen und Pioniere der Mikrobiomforschung, sowie rund 40 Unterstützende aus vier Kontinenten. Nach einer Machbarkeitsstudie, die Norwegen und die Schweiz als geeignete Standorte für den Bau des Mikrobiomtresors prüften, erhielt im Sommer 2021 die Schweiz den Zuschlag. Gekoppelt an die Idee, einen ausrangierten Armeebunker dafür zu nutzen.

Artensterben im Mikrokosmos
Rund 40 Billionen mikrobische Zellen, darunter Bakterien, Viren und Pilze, besiedeln den menschlichen Körper. Viele gehören zur Darmflora, aber auch die Hautoberfläche und die Schleimhäute von Körperöffnungen sind dicht mit Mikroorganismen besiedelt. Jeder Mensch hat sein individuelles Mikrobiom, das sich verändert, je nachdem, was wir essen oder in welcher Umgebung wir uns bewegen. «Heute wissen wir aus der Forschung, dass das Mikrobiom zentrale Funktionen etwa für den Stoffwechsel, die Aufnahme von Vitaminen und das Immunsystem übernimmt», sagt Adrian Egli, Forschungsgruppenleiter am Departement Biomedizin der Universität Basel und Leiter der klinischen Bakteriologie und Mykologie (der Lehre von Pilzen) am Universitätsspital.

Aktuelle Studien deuteten zudem auf einen Zusammenhang mit Autoimmunerkrankungen wie Multipler Sklerose (MS), metabolischen Krankheiten und Übergewicht hin. Selbst bei der Behandlung von Darmkrebs mit neusten Medikamenten habe sich gezeigt, dass der Behandlungserfolg stark von der mikrobiotischen Umgebung des Tumors abhänge. Forschende hoffen deshalb, dass sich durch ein besseres Verständnis des Mikrobioms neue Therapiemöglichkeiten eröffnen und man gesundheitsfördernde Mikroorganismen gezielt nutzen könnte.

Doch diese Chance schwindet: Praktisch täglich gehen potenziell wertvolle Bakterien, Pilze und Viren verloren. «Die Vielfalt des Mikrobioms nimmt stark ab», sagt Egli. «Das hat wahrscheinlich mit unserer Ernährung und Lebensweise, mit Umwelteinflüssen, dem Einsatz von Antibiotika und klimatischen Bedingungen zu tun.» Untersuchungen haben gezeigt, dass das Mikrobiom im Darm von Jägern und Sammlern im Amazonas-Regenwald von Venezuela doppelt so vielfältig ist wie jenes von gesunden Menschen in Städten der USA.

Hier kommt der alpine Tresor ins Spiel. «Uns schwebt eine Art ‹Back up›-Speicher vor», sagt Egli. Er ist Teil des Schweizer Forschungsteams, das in einer zweijährigen Pilotphase die Grundlagen für den Bau des «Microbiota Vault» schaffen soll. «Sonst zeigen uns vielleicht Datenanalysen irgendwann, dass ein bestimmtes Bakterium für die Krebsbehandlung zwar hilfreich gewesen wäre, aber dieses weltweit nicht mehr auffindbar ist.» Er vergleicht das Projekt mit dem «Global Seed Vault» in Svalbard, wo im Permafrost von Spitzbergen mehr als eine Million Samen liegen, um die globale Pflanzenvielfalt trotz drastischem Artensterben für spätere Generationen und die Forschung zu erhalten.

Datenschatz für Bioinformatik
In der Pilotphase stehen rechtliche und technische Aspekte im Vordergrund. Die Vielfalt der Darmflora ist bei der Bevölkerung in ländlichen Gebieten Afrikas, Asiens und Südamerikas besonders hoch. Deshalb will das Team ausloten, wie schwierig es ist, Stuhlproben aus diesen Staaten für die Lagerung in die Schweiz zu bringen, und welche ethischen Herausforderungen damit verbunden sind. Weiter stellen sich Fragen zur idealen Konservierung und Lagerung, um die ursprüngliche mikrobiologische Vielfalt einer Probe möglichst zu erhalten.

Der Vorläufer des Tresors steht aktuell in Eglis Labor an der Universität Basel. Dort sind bereits Hunderte von Stuhlproben in herkömmlichen Labortiefkühlern eingelagert. Bis zum Ende der Pilotphase soll die Sammlung auf 2000 Proben anwachsen. Derzeit liegt der Fokus bei Proben von Menschen, später sollen weitere Mikrobengemeinschaften von Nahrungsmitteln, Tieren und Pflanzen hinzukommen. Eine Eigenheit des Projekts liegt darin, dass bei jeder Probe mittels «Next-Generation Sequencing» das Erbgut der Mikroorganismen entschlüsselt wird. Die so gewonnenen Daten erlauben es den Forschenden, einzelne genetische Merkmale von Mikroorganismen im Mikrobiom zu vergleichen. Dieser digitale Schatz soll der globalen Wissenschaftsgemeinschaft einst für weitere computerbasierte Auswertungen frei zur Verfügung stehen.

Infrastruktur für kommende Generationen
Nach Abschluss der Pilotphase rechnen die Initiatorinnen und Initiatoren mit Investitionen von mehreren Millionen Franken. «Der Bau ist alles andere als trivial», sagt Egli. «Wir suchen einen sicheren Standort, an welchem der Tresor zuverlässig mit Strom versorgt werden kann. Zugleich muss er für den Transport der Proben einfach zugänglich sein.»

Aktuell tragen eine Reihe von Universitäten und Stiftungen die Kosten. Künftig sollen weitere global operierende Stiftungen hinzukommen, um den Bau und den langfristigen Betrieb der Anlage zu finanzieren. Egli rechnet mit mindestens zehn Jahren, bis der Mikrobentresor im Routinebetrieb ist. «Wahrscheinlich wird meine eigene Mikrobiomforschung nicht mehr davon profitieren», sagt er. Das tut seiner Motivation jedoch keinen Abbruch. Es sei faszinierend, eine Forschungsinfrastruktur aufzubauen, von der einst Generationen an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern profitieren werden. (Universität Basel/mc/ps)

Mehr zum Projekt: The Microbiota Vault

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