Epigenetic Wastewater Surveillance

Das geheime Tagebuch der Stadt

Stellen Sie sich eine Stadt nicht als eine Ansammlung von Gebäuden und Straßen vor, sondern als einen riesigen, lebendigen Organismus, der überall, wo er hingeht, eine Spur aus Hinweisen hinterlässt. Seit Jahren lesen Wissenschaftler den „Abfall“ dieses Organismus – insbesondere das Abwasser, das aus unseren Häusern und Straßen fließt. Dieses Feld, bekannt als abwasserbasierte Epidemiologie, ist wie ein Detektiv, der Spuren erschnüffelt, um herauszufinden, was die gesamte Bevölkerung gerade so treibt. In der Vergangenheit nutzten Detektive diesen Abwasserstrom, um zu zählen, wie viele Menschen bestimmte Drogen konsumierten oder um die Ausbreitung von Viren wie demjenigen, der die jüngste globale Pandemie verursachte, aufzuspüren. Dies taten sie, indem sie nach dem tatsächlichen genetischen Code (DNA) des Virus oder den chemischen Signaturen von Drogen suchten.

Doch es gibt eine tiefere Ebene dieser Geschichte, die uns nicht nur verrät, was im Wasser ist, sondern auch, wie sich die Menschen fühlen, die zu diesem Wasser beitragen. Dies ist die Welt der Epigenetik. Stellen Sie sich Ihre DNA wie ein massives Handbuch zum Bau eines Menschen vor. Bei der Epigenetik geht es nicht darum, die Wörter in diesem Handbuch zu ändern; stattd sich vielmehr darum, Haftnotizen, Lesezeichen oder Textmarker auf den Seiten zu platzieren. Diese „Haftnotzen“ sind chemische Markierungen, die der Zelle sagen, welche Anweisungen sie laut vorlesen und welche sie ignorieren soll. Wenn Sie gestresst sind, krank oder Giftstoffen ausgesetzt sind, fügt Ihr Körper diese Markierungen hinzu oder entfernt sie, um sich anzupassen. Die große Frage, die sich Wissenschaftler gestellt haben, lautet: Können wir diese unsichtbaren „Haftnotizen“ im Abwasser finden? Wenn uns das gelingt, wüssten wir nicht nur, dass ein Virus vorhanden ist; wir könnten potenziell einen Echtzeitbericht über das Stressniveau der Gemeinschaft, die Gesundheitsgewohnheiten und die Art und Weise erstellen, wie die Umwelt uns alle beeinflusst.

Die Stimmung der Stadt lesen

In diesem kurzen Bericht schlägt Rafal Urniaz von der Technischen Universität Gdansk und der University of Cambridge einen neuen Weg vor, das geheime Tagebuch der Stadt zu lesen. Die Arbeit legt nahe, dass wir einen speziellen Typ von DNA-Scanner namens Oxford Nanopore Technologies (ONT) verwenden können, um diese epigenetischen „Haftnotizen“ direkt im Abwasser zu finden. Im Gegensatz zu älteren Scannern, die erfordern, dass wir die DNA zuerst chemisch verändern (was die Haftnotizen zerstört), kann dieser neue Scanner die DNA in ihrem natürlichen Zustand lesen und die chemischen Modifikationen direkt neben dem genetischen Code erkennen.

Der Autor nahm Abwasserproben und führte sie durch diesen hochtechnologischen Scanner. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse vertrauenswürdig sind, nutzte das Team einen sehr strengen Filter und behielt nur die Daten, bei denen eine Konfidenz von 95 % vorlag, dass sie echt sind. Es gelang ihnen, eine Karte zu erstellen, die sie das „menschliche Methylom“ des Abwassers nennen. Diese Karte wird als farbenfrohes, kreisförmiges Diagramm (Abbildung 1) visualisiert, das zeigt, wo sich spezifische chemische Markierungen auf der im Abwasser gefundenen menschlichen DNA befinden. Das Diagramm hebt drei Arten von Markern hervor: unmodifiziertes Cytosin (die einfache DNA), 5-Methylcytosin (ein Tag, der Gene normalerweise „ausschaltet“) und 5-Hydroxymethylcytosin (ein Tag, der hilft, Gene wieder „anzuschalten“).

Die Arbeit findet, dass diese epigenetischen Signaturen tatsächlich im Abwasser vorhanden und nachweisbar sind. Die Daten legen nahe, dass diese Methode den „physiologischen Zustand“ der Gemeinschaft erfassen kann. Mit anderen Worten: Das Abwasser trägt nicht nur Viren; es trägt ein Protokoll darüber, wie die Gene der Bevölkerung als Reaktion auf ihre Umwelt an- und ausgeschaltet werden. Der Autor argumentt, dass dies eine neue Grenze eröffnet, die als Epigenetische Abwasserüberwachung (EWS) bezeichnet wird. Anstatt nur Krankheitsfälle zu zählen, könnte dieser Ansatz uns helfen, die „kumulativen ökologischen und physiologischen Belastungen“ einer Bevölkerung abzubilden. Er deutet darauf an, dass wir eines Tages Dinge wie das Stressniveau einer Stadt, die metabolische Gesundheit ihrer Bewohner oder sogar die Auswirkungen einer alternden Bevölkerung verfolgen könnten, indem wir einfach die chemischen Markierungen lesen, die im Wasser schwimmen.

Das Papier ist jedoch vorsichtig damit, dies als fertiges Produkt oder als Allheilmittel zu behaupten. Es präsentiert dies als einen Nachweis dafür, dass die Informationen abgerufen werden können. Die Zuversicht hinsichtlich der spezifischen Positionen der Markierungen beruht auf dem strengen Schwellenwert von 0,95 für die Konfidenz, die auf die Daten angewendet wurde, aber das Papier rahmt dies eher als die Eröffnung „ungenutzter Möglichkeiten“ denn als ein gelöstes Rätsel ein. Es legt nahe, dass während traditionelle Methoden uns sagen, was zirkuliert, diese neue Ebene der Überwachung einen umfassenden Überblick über systemische Stressoren liefern könnte, vorausgesetzt, die Technologie entwickelt sich weiter. Der Code und die Daten, die zur Erstellung dieser Karte verwendet wurden, sind für andere verfügbar, um sie zu überprüfen und darauf aufzubauen, und laden die wissenschaftliche Gemeinschaft ein, an der Erforschung dieser neuen, unsichtbaren Ebene der öffentlichen Gesundheitsüberwachung teilzunehmen.