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Biodiversität

Moderne Methoden phylogenetischer Forschung

Die systematische Einteilung der Arten und die Erstellung von Stammbäumen beruhte in der Vergangenheit im Wesentlichen auf morphologisch/anatomischen Kriterien, die oft subjektiv waren und sich für ausgestorbene Arten nicht immer eindeutig festlegen lassen. Seit der Entdeckung der DNA-Sequenzierung durch Frederic Sanger (1977) werden zunehmend moderne Methoden der Molekularbiologie eingesetzt, um die Verwandtschaftsbeziehungen von Lebewesen und ihre Stammesgeschichte zu rekonstruieren.

In diesen Tests wird die DNA-Sequenz und damit auch die Anzahl der Mutationen bestimmter, wenig variabler Gene bestimmt. Je länger der letzte gemeinsame Vorfahre zweier Lebewesen zurückliegt, desto stärker sollten sich auch die Gene unterscheiden. Häufig werden für diese Analysen das Gen für die 16S bzw. 18S ribosomale RNA verwendet. Diese rRNA ist in allen Lebewesen vorhanden und hat sich im Laufe der Evolution kaum verändert. Da die Mutationsraten der ribosomalen Gene bekannt sind, lässt sich sogar eine Zeitskala aufstellen - die ribosomalen RNAs sind also so etwas wie eine molekulare Uhr.

Nicht immer stimmen die Ergebnisse der Molekularbiologen mit denen der Systematiker überein, aber beide Methoden ergänzen sich zu einem Bild. Gerade bei noch nicht kultivierbaren Mikroorganismen ist der molekularbiologische Nachweis ihres Genoms heute oft der einzige Hinweis auf ihre Existenz. Allein auf der Basis der rRNA lässt sich allerdings nicht entscheiden, ob eine neue Art vorliegt oder nicht.

Hinweis
Eukaryonten haben eine 18S rRNA, Prokaryonten eine 16S rRNA. Mehr über den Aufbau und die Funktion der Ribosomen finden Sie hier.

Ein DNA-Molekül kann durch Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt werden

Abb.1
Probenvorbereitung einer PCR

In einer Boden- oder Wasserprobe befinden sich oft nur wenige Individuen einer Art. Die DNA, die aus diesen wenigen Individuen isoliert werden kann, reicht in der Regel bei Weitem nicht aus, um die DNA analysieren zu können. Erst durch die 1985 von Kary B. Mullis entwickelte Methode der Polymerase-Kettenreaktion (abgekürzt mit PCR für polymerase chain reaction) ist es möglich, bestimmte Bereiche des Genoms in einem zyklischen Prozess zu vervielfältigen. Im Prinzip ist nur ein einziges DNA-Molekül notwendig, um in der PCR genügend Material für eine anschließende Sequenzanalyse zu erhalten.

Mit der Polymerase-Kettenreaktion lassen sich auch unbekannte oder nicht-kultivierbare Spezies z.B. in einer Probe aus der Tiefsee oder aus heißen Quellen identifizieren. Dazu wird die gesamte in dieser Probe befindliche DNA über PCR vervielfältigt. Im Vergleich mit den DNA-Sequenzen bekannter Arten kann dann die Anzahl der unbekannten Arten in der Probe geschätzt werden.

In der Lerneinheit zu den Grundlagen der PCR erfahren Sie mehr über diese Technik. Weitere Information zur DNA-Sequenzierung finden Sie hier.

Das Prinzip der PCR als Animation

Der FISH-Test dient zur Identifizierung neuer Arten durch Hybridisierung

Bei der Fluoreszenz in situ-Hybridisierung (FISH) wird eine kleine DNA-Sonde (oft das Gen für die 16S bzw. 18S rRNA) an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt und mit der unbekannten DNA hybridisiert. Dieser Farbstoff lässt sich nach der Hybridisierung durch eine geeignete Lichtquelle zur Fluoreszenz anregen und damit auch nachweisen. Das FISH-Verfahren dient vor allem zur Diagnostik von Trisomien bei Risikoschwangerschaften, wird aber auch zum Nachweis von strukturellen Chromosomenveränderungen wie Translokationen oder Deletionen in der Krebsforschung und -diagnostik oder zum Nachweis von pathogenen Mikroorganismen in Geweben oder dem Trinkwasser eingesetzt. In der Biodiversitätsforschung lassen sich mit diesem Test nicht kultivierbare Mikroorganismen identifizieren und auch mengenmäßig erfassen, oder neue Arten z.B. in der Tiefsee oder in Tiefsee-Sedimenten aufspüren.

Die Durchführung einer DNA-Hybridisierung

Abb.2
Hybridisierung

Die Methode der DNA-Hybridisierung wird im entsprechenden Praktikumsversuch detaillierter erläutert.

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