Hiding in plain sight: rare Bacillus cereus group species are present among unassembled metagenomic samples in public databases

Der Boden unter unseren Füßen ist eine geschäftige Metropole mikroskopischen Lebens, bevölkert von Bakterien, die Ökosysteme formen, die Landwirtschaft vorantreiben und gelegentlich Krankheiten verursachen. Unter diesen unsichtbaren Bewohnern befindet sich eine komplexe Familie von Bakterien, die als Bacillus cereus-Gruppe bekannt ist. Während einige Mitglieder dieser Familie berüchtigt dafür sind, Lebensmittelvergiftungen oder die tödliche Krankheit Milzbrand zu verursachen, sind andere harmlos oder sogar nützlich, werden in der Industrie eingesetzt, um Nutzpflanzen zu schützen oder nützliche Chemikalien zu produzieren. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler die Genome – die vollständigen genetischen Blaupausen – der häufigsten und gefährlichsten Mitglieder dieser Gruppe kartiert. Ein erheblicher Teil dieser Bakterienfamilie bleibt jedoch ein Rätsel. Es gibt seltene Arten innerhalb der Gruppe, die vor über einem Jahrzehnt entdeckt wurden, aber nie wieder in der Natur gefunden wurden. Bis jetzt stammten die einzigen verfügbaren genetischen Informationen für diese seltenen Arten von einem einzelnen, isolierten Stamm, was die Wissenschaft mit einem fragmentierten und unvollständigen Bild ihrer Biologie, ihres Lebensraums und der Frage, ob sie Risiken für die menschliche Gesundheit darstellen könnten, zurückließ.

Das Problem war nicht unbedingt, dass diese seltenen Bakterien in der Umwelt nicht existierten, sondern dass sie in voller Sichtweite waren und durch traditionelle Methoden übersehen wurden. Um Bakterien zu untersuchen, müssen Wissenschaftler sie normalerweise in einer Laborschale züchten, ein Prozess, der als Isolation bezeichnet wird. Wenn ein Bakterium selten oder schwierig zu züchten ist, rutscht es oft durch die Maschen dieser Experimente. Die wissenschaftliche Welt hat sich jedoch vor kurzem einem anderen Ansatz zugewandt: der Shotgun-Metagenomik. Anstatt zu versuchen, einen einzelnen Organismus zu züchten, können Forscher die gesamte DNA sequenzieren, die in einer Boden- oder Wasserprobe vorhanden ist. Dies erzeugt einen riesigen, unorganisierten Haufen genetischer Fragmente von tausenden verschiedenen Organismen, die zusammenleben. Obwohl diese Methode leistungsstark ist, ist sie rechenintensiv, und viele dieser massiven Datensätze in öffentlichen Archiven wurden noch nie vollständig zu kompletten Genomen zusammengesetzt. Sie liegen dort, unzusammengesetzt, und warten darauf, dekodiert zu werden.

Ein Forscherteam aus Schweden setzte sich zum Ziel zu prüfen, ob sich diese seltenen, schwer fassbaren Bakterien in diesen riesigen, unzusammengesetzten digitalen Archiven versteckten. Sie stellten die Hypothese auf, dass selbst wenn niemand diese seltenen Arten kürzlich erfolgreich im Labor gezüchtet hätte, ihre genetischen Signaturen über tausende von Boden- und Wasserproben verteilt sein könnten, die bereits in öffentlichen Datenbanken gespeichert sind. Um sie zu finden, identifizierte das Team zuerst einzigartige genetische Marker – spezifische DNA-Sequenzen, die wie ein Fingerabdruck wirken – für vier der seltensten bekannten Arten in der Bacillus cereus-Gruppe. Diese Arten, darunter Bacillus manliponensis, Bacillus bingmayongensis, Bacillus gaemokensis und eine vorläufig als Bacillus clarus bezeichnete Art, waren jahrelang nur durch einen einzigen bekannten Genom repräsentiert worden. Die Forscher nutzten dann ein spezialisiertes Suchwerkzeug, um die massiven, unzusammengesetzten DNA-Daten im öffentlichen Sequence Read Archive nach diesen spezifischen Fingerabdrücken zu durchsuchen.

Die Suche war erfolgreich. Das Team identifizierte sieben metagenomische Proben, die die genetischen Marker dieser seltenen Bakterien enthielten. Diese Proben stammten aus unterschiedlichen Regionen, darunter Boden aus einem Avocado-Obstgarten in Israel, der Wurzelzone von Hirsepflanzen in China und sogar eine Probe von kommerziellem Spinat, der für eine Sicherheitsstudie absichtlich mit einem anderen Typ von Bakterien kontaminiert worden war. Durch das Wieder zusammensetzen der DNA-Fragmente aus diesen spezifischen Proben konnten die Forscher hochwertige, nahezu vollständige Genome der seltenen Bakterien rekonstruieren, ohne sie jemals in einer Petrischale züchten zu müssen. Sie gewannen ein vollständiges Genom von Bacillus manliponensis aus dem israelischen Boden und ein teilweises Genom von Bacillus bingmayongensis aus der Spinatprobe. Dies war ein bedeutender Durchbruch, da es die ersten neuen genetischen Daten für diese Arten seit über einem Jahrzehnt lieferte und damit über den einen ursprünglichen Stamm hinausging, der sie so lange definiert hatte.

Mit diesen neuen Genomen in der Hand konnten die Forscher die seltenen Arten endlich miteinander und mit den wenigen anderen Stämmen vergleichen, die vor kurzem sequenziert worden waren. Sie entdeckten, dass diese Bakterien keine einheitlichen Klone waren; sie zeigten eine signifikante genetische Diversität. Beispielsweise war das in dem israelischen Obstgarten gefundene Bacillus manliponensis genetisch verschieden von dem ursprünglich in Südkorea entdeckten Stamm, aber eng genug verwandt, um zu bestätigen, dass es sich um dieselbe Art handelt. Ähnlich verhielt es sich mit dem in der Spinatprobe gefundenen Bacillus bingmayongensis, der eng mit einem Stamm verwandt war, der in Erdboden aus Erdnüssen in China gefunden wurde, aber sich von anderen Stämmen aus Tunesien unterschied. Dies deutete darauf hin, dass diese „seltenen“ Arten nicht auf einen einzigen, obskuren Ort beschränkt waren, sondern wahrscheinlich weit verbreitet und geografisch vielfältiger waren als bisher angenommen.

Die Studie beleuchtete auch die potenziellen Gefahren und Fähigkeiten dieser Bakterien. Die Forscher untersuchten die neuen Genome auf Gene, die Toxine oder andere schädliche Substanzen produzieren. Sie fanden heraus, dass diese seltenen Arten zwar nicht die Gene für Milzbrand oder das spezifische Toxin, das Erbrechen verursacht, besaßen, aber doch Gene für andere Toxine trugen, die Durchfall verursachen können. Interessanterweise variierte das Vorhandensein dieser Toxin-Gene zwischen verschiedenen Stämmen derselben Spezies. Einige Stämme trugen ein Gen für ein Toxin namens Sphingomyelinase C, andere hingegen nicht. Diese Variation unterstreicht einen entscheidenden Punkt: Man kann nicht davon ausgehen, dass alle Mitglieder einer Bakterienart gleich reagieren. Ein im Labor gefundener Stamm könnte harmlos sein, während ein anderer Stamm derselben Art, der im Feld gefunden wird, die genetischen Werkzeuge besitzen kann, um Krankheiten zu verursachen.

Darüber hinaus untersuchte das Team die mobilen genetischen Elemente innerhalb dieser Bakterien, wie etwa Plasmide und Viren, die zwischen Organismen springen können. Sie fanden heraus, dass die seltenen Bakterien einzigartige virale Sequenzen und in einigen Fällen Plasmide trugen, die potenziell Gene zwischen Bakterien übertragen könnten. Ein Stamm von Bacillus bingmayongensis wurde dabei gefunden, der ein Plasmid mit einem Gencluster trägt, das möglicherweise eine neuartige antibiotikaähnliche Substanz produziert. Dies deutet darauf hin, dass diese seltenen Arten nicht nur biologische Kuriositäten sind, sondern aktive Teilnehmer an der chemischen Kriegsführung und Kooperation, die im Boden stattfindet, und potenziell die Schlüssel zu neuen Medikamenten oder landwirtschaftlichen Werkzeugen in sich tragen.

Die Ergebnisse dieser Studie stellen die Annahme infrage, dass diese seltenen Arten wirklich selten oder auf ihre ursprünglichen Entdeckungsorte beschränkt sind. Stattdessen scheinen sie in landwirtschaftlichen Umgebungen und Lebensmittelproduktionssystemen, wie Obstgärten und kommerziellem Gemüse, präsent zu sein, wo sie mit Menschen interagieren könnten. Die Forscher betonen, dass der Nachweis eines Bakteriums in einer Lebensmittelprobe nicht automatisch eine Bedrohung darstellt; viele Faktoren bestimmen, ob ein Bakterium eine Krankheit verursacht. Die Fähigkeit jedoch, diese Organismen in öffentlichen Datenbanken ohne Kultivierung zu finden, eröffnet ein neues Fenster für die Überwachung. Es deutet darauf hin, dass die wahre Diversität der Bacillus cereus-Gruppe viel größer ist, als es unsere derzeitige Sammlung im Labor gezüchteter Proben vermuten lässt.

Indem sie die riesigen, unzusammengesetzten Archive der DNA-Daten wie einen Schatzraum behandelten, demonstrierten die Forscher eine kraftvolle neue Art, die mikrobielle Welt zu untersuchen. Sie zeigten, dass seltene Arten nicht unbedingt in der Welt fehlen, sondern in unseren traditionellen Methoden der Betrachtung der Welt fehlen. Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, die Grenzen der Züchtung von Bakterien im Labor zu umgehen und direkt das genetische Potenzial von Organismen zu beobachten, die in komplexen Umgebungen leben. Während immer mehr Daten generiert und diese digitalen Archive weiter erforscht werden, wird unser Verständnis dieser seltenen, verborgenen Mitglieder der Bakterienfamilie weiter wachsen und ein vollständigeres und genaueres Bild der mikrobiellen Welt, die uns umgibt, offenbaren.