Scharlach vor Kolumbus

Im Juni 2022 posierte der bolivianische Biochemiker Guido Valverde für ein Foto, das die Erfüllung eines lange gehegten Wunschs und den Beginn eines großen Unterfangens einfängt. Das Bild wurde in einem Depot des Nationalen Archäologiemuseums (MUNARQ) in La Paz aufgenommen. Valverde steht vor einem großen Regal bis zur Decke, gefüllt mit weißen Kisten: die Schädelsammlung des Museums. Sie umfasst über 500 Exemplare, und dazu besitzt MUNARQ noch fast 60 vollständig mumifizierte Leichen. Die meisten dieser Funde stammen aus Begräbnistürmen, chullpas, auf dem bolivianischen Altiplano – Überreste einer Zivilisation, die dem Inka-Reich vorausging. Man weiß wenig über diese Menschen, und Valverde hatte seit langem gehofft, einmal Proben genetisch untersuchen zu können. Nun hatte er mit einem Team des Instituts für Mumienforschung von Eurac Research Zugang zu dieser einmaligen anthropologischen Sammlung erhalten. In jenem Juni vor vier Jahren begann die erste systematische bioarchäologische Untersuchung bolivianischer Mumien (siehe Box).

Der bolivianische Biochemiker Guido Valverde in einem Depot des Nationalen Archäologiemuseums (MUNARQ) in La Paz. Auf den Regalen: die Schädelsammlung des Museums

Credit: Eurac Research | JG.Estellano

„Wir haben sehr viele Proben aus dieser schönen Sammlung genommen. Neulich habe ich meine Excel-Tabelle durchgesehen: Wir haben Proben von mehr als 100 Individuen, über 300 Proben!“ Valverde erzählt das in einem Videoanruf aus der bolivianischen Hauptstadt Sucre, wohin er nach zwei Jahren in Bozen zurückgekehrt ist. „Da ist alles dabei: Zähne, Knochen, Weichgewebe, Haarproben, Magen, Mageninhalt, Darm – ein ganz breites Spektrum, um daraus möglichst viel Information zu gewinnen.“ Er wirkt sehr zufrieden, und er hat einen guten Grund: In einer der Proben, einem Zahn aus einem natürlich mumifiziertem Schädel, hat er mit Kollegen den Scharlacherreger Streptococcus pyogenes nachgewiesen und erstmals ein mehrere Jahrhunderte altes Genom des Keims rekonstruiert. Das wissenschaftliche Paper wurde gerade in Nature Communications veröffentlicht, mit Valverde und dem Mikrobiologen Mohamed Sarhan von Eurac Research als Erstautoren.

Das Ergebnis ist aus mehreren Gründen aufregend. Obwohl es sich um einen medizinisch bedeutenden Krankheitserreger handelt – Scharlach gehörte historisch zu den häufigsten Todesursachen bei Kindern – ist über seine Entwicklungsgeschichte bislang wenig bekannt. Wie bei anderen Erregern neigte man zur Annahme, sie seien mit den Europäern auf den amerikanischen Kontinent gelangt. Nun ist erwiesen, dass der Keim bereits in indigenen Bevölkerungsgruppen Südamerikas zirkulierte, bevor Kolumbus überhaupt geboren war: Radiokarbondatierung zeigte, dass der junge Mann, von dem der Zahn stammt, zwischen 1283 und 1383 lebte, in einer Epoche, die in der Anden-Archäologie als Späte Zwischenzeit (1100–1450 n. Chr.) bekannt ist.

In diesem Zahn eines jungen Mannes, der vor etwa 700 Jahren auf dem Altiplano Boliviens lebte, hat das Forschungsteam den Scharlacherreger Streptococcus pyogenes nachgewiesen. Zähne, besonders ihr Inneres, gehören neben dem Felsenbein im Schädel zu den besten Quellen für gut erhaltene DNA.

Credit: Eurac Research | Guido Valverde

Von Bedeutung ist die Studie auch, weil sie den Wert einer Methode zeigt, die das Institut seit Jahren für die Analyse alter DNA (aDNA) weiterentwickelt hat und die für das Forschungsfeld so etwas „wie den Beginn einer neuen Ära bedeutet“, wie Institutsleiter Frank Maixner sagt: De-novo-Assemblierung. Bei diesem Verfahren wird ein Genom aus vielen DNA-Fragmenten neu zusammengesetzt, ohne dass ein Referenzgenom als Vorlage dient. „Man kann es sich vorstellen wie ein Puzzle, das man legt, ohne das Bild auf der Schachtel zu kennen“, erklärt Sarhan; er lässt einfach klingen, was ein technisch hoch anspruchsvoller Prozess ist, eine Kombination aus modernen Sequenzierverfahren und bioinformatischen Methoden.

In der Forschung mit moderner DNA ist de novo assembly längst Standard, doch für die Analyse stark fragmentierten und beschädigten Erbguts wird sie noch eher selten eingesetzt – „wir sind hier noch Pioniere“, sagt Sarhan. Dabei habe die Methode gerade für die Rekonstruktion alter Genome einen großen Vorteil: „Wir sind nicht von heutigen Referenzen beeinflusst – wir arbeiten ohne Vorannahmen. So sind wir offen für jede Art Entdeckung und können wirklich Neues erkennen, auch genetische Varianten, die heute möglicherweise gar nicht mehr existieren.“

Nach ihrem bolivianischen Fund suchten die Forscher Streptococcus pyogenes in öffentlich zugänglichen Datensätzen alter DNA. Sie fanden das Bakterium in 35 Proben, unter anderem von Menschen, die vor etwa 4000 Jahren in Europa lebten, sowie eine nahe verwandte Streptococcus-Art in 200 Jahre alten Überresten von Gorillas aus Afrika. „Der Erreger war vorhanden, ist in den Daten aber nicht erkannt worden“, sagt Sarhan.

Die genetischen Untersuchungen des Teams werfen noch mehr Licht auf die Vergangenheit des Bakteriums. Analysen mithilfe der sogenannten molekularen Uhr – einer zeitlichen Einordnung anhand genetischer Veränderungen – , legen nahe, dass sich die Entwicklungslinien der meisten heutigen Streptococcus pyogenes Stämme vor etwa 5000 Jahren verzweigt haben: in einer Epoche, in der die Menschen zunehmend sesshaft wurden und enger zusammenlebten. Das könnte die Ausbreitung und Diversifizierung des Erregers, der sich hauptsächlich über Tröpfchen- und Schmierinfektionen verbreitet, begünstigt haben, erklärt Maixner.  

Verschiedene aus den Mumien im bolivianischen Nationalmuseum entnommene Proben

Credit: Eurac Research | Juan Gabriel Estellano

In der Zahnprobe hatten die Mumienforscher nicht nach Streptococcus pyogenes gesucht. In solchen Fällen ist Suchen nicht ihre Herangehensweise – sie schauen, was sie finden. „Bei der genetischen Untersuchung von Mumien gehen wir sehr ergebnisoffen vor“, erklärt Maixner. „Wir analysieren nicht nur das menschliche Erbgut, sondern auch die DNA der zahlreichen Mikroorganismen, die in menschlichen Überresten vorhanden ist.“
Bei der Probenentnahme versucht das Team, so wenig invasiv wie möglich vorzugehen. Auf den spezifischen Zahn fiel die Wahl, weil er schon locker im Schädel saß. Zähne, besonders ihr Inneres, gehören neben dem Felsenbein im Schädel zu den besten Quellen für gut erhaltene DNA. Das komplexe Gemisch, das die Forscher aus dem Knochenpulver extrahierten, enthielt neben dem menschlichen Erbgut auch DNA von über zwei Dutzend Mikroorganismen. Streptococcus pyogenes war auffallend häufig, doch nicht deshalb verfolgten die Forscher gerade diese Spur weiter: Besonders interessant ist der Keim, weil er auch heute noch große klinische Relevanz hat. In den vergangenen Jahren haben Scharlachausbrüche weltweit sogar zugenommen. 

Es erwies sich, dass der mindestens 700 Jahre alte Bakterienstamm viel mit den modernen Stämmen gemeinsam hatte. „Er hatte schon die Voraussetzungen, Krankheiten zu verursachen. Er besaß viele, wenn auch nicht alle der krankheitserregenden Gene moderner Streptococcus pyogenes-Stämme“, erklärt Maixner. Besonders ähnlich war der alte Keim heutigen Stämmen, die vor allem Rachenentzündungen auslösen. Mit Sicherheit ist es nicht zu sagen, aber es kann gut sein, dass der junge Indigene, von dem der Zahn stammt, in einem bestimmten Moment an Halsschmerzen litt. „Es ist wirklich erstaunlich, wie detaillierte Informationen wir gewinnen können, wenn wir ein Genom von solcher Qualität haben“, sagt Valverde.

Dass es gelungen ist, ein fast vollständiges Genom zu rekonstruieren, verdankt sich den Bedingungen auf dem bolivianischen Altiplano. Die Höhe von 3500 bis 4000 Meter, kalte Winde, trockene Luft – was die Mumifizierung der Körper in den chullpas beförderte, hat auch den Verfall des Erbguts verlangsamt. „Das ist einer der wichtigsten Gründe für unseren Erfolg“, sagt Valverde.
So viele Jahre nach dem Tod eines Organismus ist seine DNA meist in winzige Stränge zerfallen, doch von Streptococcus pyogenes waren ungewöhnlich lange Sequenzen erhalten. Das erleichterte den Forschenden die Arbeit, und gleichzeitig brachte es eine Erkenntnis, die „an den Grundfesten der Forschung mit alter DNA rüttelt“, wie Maixner es ausdrückt.
Aus der Tatsache, dass altes Erbgut meist nur in sehr kurzen Sequenzen erhalten ist, wurde in aDNA-Laboren nämlich im Umkehrschluss die feste Überzeugung, dass lange Sequenzen nicht alt sein könnten. „Im allgemeinen wird bei längeren Sequenzen sofort Kontamination mit jüngerem Erbgut vermutet, also sortiert man sie aus“, erklärt Sarhan. „Wir konnten anhand der typischen chemischen Veränderungen jedoch eindeutig zeigen, dass die längeren Sequenzen ebenso alt wie die kurzen waren. Und sie haben uns wertvolle Information geliefert.“

Das Nationale Archäologiemuseum (MUNARQ) in La Paz

Credit: Courtesy of Guido Valverde | All rights reserved

Nun, wo man über ein fast vollständiges Genom des alten Bakterienstamms verfügt, tun sich vielversprechende Forschungsmöglichkeiten auf. Interessant wäre, den südamerikanischen Stamm mit alten europäischen und afrikanischen zu vergleichen, sagt Sarhan. „Und auf jeden Fall wollen wir verstehen, wie der Erreger nach Südamerika gelangt ist.“ Valverde möchte den Keim sequenzieren, der in jüngster Zeit für Scharlachausbrüche in Bolivien verantwortlich war, und ihn mit dem alten Stamm vergleichen. Noch ist er aber intensiv mit den Proben aus dem Museum beschäftigt, bei deren Analyse sich weitere interessante Entdeckungen abzeichnen: „Wir haben Einiges in der Pipeline….“. Er klingt hörbar begeistert.

Das Projekt MUMBO

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Mit einem wissenschaftliches Kooperationsabkommen zwischen Eurac Research und dem bolivianischen Ministerium für Kultur, Dekolonisierung und Depatriarchalisierung begann im Juni 2022 eine bahnbrechende Studie zu präkolumbianischen Mumien. MUMBO ist die erste systematische bioarchäologische Untersuchung der fast 50 vollständig mumifizierten Körper und mehr als 500 menschlichen Schädel im Nationalmuseum für Archäologie in La Paz. Die wertvollen Überreste werden umfassend erhoben und mittels radiologischer, anthropologischer und molekularer Analysen untersucht, um Einblicke in Lebensweise, Ernährung und Krankheitsbilder der präkolumbianischen Zeit zu gewinnen. Die paläogenetische Studie wird zudem Erkenntnisse über die genetische Vielfalt der frühen südamerikanischen Bevölkerung liefern. Außerdem unterstützt das Team aus Bozen das Archäologische Museum bei der Konservierung der mumifizierten Überreste, indem es Empfehlungen für geeignete Konservierungs-Bedingungen in den Ausstellungsräumen und in den Depots erarbeitet. Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist schließlich, die angemessenen ethischen Richtlinien für die Untersuchung und Präsentation menschlicher Überreste in Bolivien umzusetzen.