Ein Luxusdinner im Jahr 1919, das fünf Menschen das Leben kostete. Ein ungewöhnlicher Versuch, in den 1920er-Jahren die Konservenindustrie zu retten. Das Biowaffenprogramm im Zweiten Weltkrieg und eine CIA-Operation gegen Fidel Castro. Ein Kosmetikprodukt, das Falten verschwinden lässt und zu einem Milliardengeschäft geworden ist. Eine neue Analyse von mehr als 1000 Bakteriengenomen verknüpft diese scheinbar weit voneinander entfernten Ereignisse auf interessante Weise. Die in diesen Tagen in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten neuen Ergebnisse zeigen, wie Forscher unbeabsichtigt die Evolution eines gefährlichen Bakteriums verändert haben, das dadurch erhebliches medizinisches und kommerzielles Potenzial gewann.
Aus einer Tragödie erwächst ein Forschungsboom
Der fragliche Mikroorganismus ist Clostridium botulinum. Sein Nervengift unterbricht die Kommunikation zwischen den Nerven, sodass die Muskeln gelähmt werden und die Opfer ersticken. Pro Gramm gerechnet ist das als BoNT bekannte Toxin eine der tödlichsten bekannten natürlichen Substanzen. Und was es noch gefährlicher macht: Die Sporen von C. botulinum können unter sauerstofffreien Bedingungen – etwa in Konserven – „aufwachen“ und sich zu toxinbildenden Bakterien entwickeln.
Genau das geschah mit den Sporen in kalifornischen Oliven-Konserven bei der großen Olivenvergiftung von 1919. Dabei starben nach einem Abendessen der Detroiter Industriemagnat Murray Sales und seine Frau, ihre zwei Kinder, ein Gast und zwei Dienstmädchen. In zwei weiteren Bundesstaaten starben neun weitere Menschen an den Konserven. Die Tragödien bedeuteten eine ernste Bedrohung für die florierende Konservenindustrie, lösten eine neue Welle mikrobiologischer Forschung aus und führten zu einem kalifornischen Gesetz, das die Branche verpflichtete, ihre Produkte bei höheren Temperaturen zu behandeln. Zu den Forschern, die sich dem Kampf anschlossen, gehörte Ivan Clifford Hall, Bakteriologe an der University of California, der eine Sammlung von C.-botulinum-Isolaten zusammenstellte.
Einer der Stämme, auf den Namen Hall A getauft, wurde zu einem wichtigen Laborwerkzeug und immer wieder vermehrt. Dabei wurde er domestiziert – die vom Menschen gesteuerte Evolution formte ihn um, ganz wie unzählige andere Pflanzen, Tiere und Mikroben. Hall A verlor die Fähigkeit zur Sporenbildung, was es Fachleuten erleichterte, BoNT zu reinigen, und produzierte zudem außerordentlich große Mengen an Toxin. Wegen dieser Eigenschaften wurde Halls berühmter Bakterienstamm zum Liebling der amerikanischen Militärforscher, die ihn ab 1942 zur Herstellung von Biowaffen und eines Impfstoffs gegen Botulismus einsetzten.
Das Militär gab Hall A auch an andere weiter. Anfang der 1960er-Jahre begann die CIA eine – letztlich gescheiterte – Operation zur Ermordung des kubanischen Staatschefs Fidel Castro, indem eine Schachtel Zigarren mit BoNT-Gift verseucht wurde. (Die Vereinigten Staaten gaben ihr Biowaffenprogramm 1969 auf und unterzeichneten drei Jahre später das Übereinkommen über das Verbot biologischer Waffen.) Etwa zur selben Zeit nahm ein Militärforscher eine Hall A-Kultur mit, als er an die University of Wisconsin wechselte. Seine Bestände teilte er auch mit einem kalifornischen Augenarzt, der Versuche an Affen durchführte, um zu prüfen, ob BoNT die Augenmuskeln entspannen kann – in der Hoffnung, ein Heilmittel gegen Schielen zu finden.
„Das ist wirklich eine Geschichte, in der aus Schwertern Pflugscharen wurden“
– sagt der Mikrobiologe Paul Keim, Forscher an der Northern Arizona University (NAU) und Erstautor der neuen Studie.
Seltsame Nebenwirkungen und juristische Schlachten
In den 1980er-Jahren wiesen der britische Mikrobiologe Andy Pickett und seine Kollegen in Zusammenarbeit mit Pharmaunternehmen erfolgreich nach, dass sich Schielen beim Menschen mit winzigen Dosen des vom Stamm Hall A produzierten BoNT – Milliardstel Gramm – behandeln lässt. 1989 ließ die amerikanische Arzneimittelbehörde FDA das gereinigte Toxin sowohl zur Behandlung von Schielen als auch von Lidkrämpfen zu.
Doch an diesem Punkt geschah etwas sehr Interessantes:
„Einige Patienten berichteten, dass durch die Behandlung ihre Migräne verschwand und auch die Falten in ihrem Gesicht verschwanden“
– erinnert sich Pickett. Es zeigte sich, dass Botox – so heißt das Mittel heute – in winzigen Mengen auch jene Gesichtsmuskeln vorübergehend lähmt, die die Falten um Augen, Stirn und Nase verursachen.
Botox ist heute nur eines von mehreren Dutzend Produkten mit dem Wirkstoff BoTN, um die zwischen den Herstellern auch mehrere juristische Schlachten um Eigentumsrechte und Fertigungsgeheimnisse entbrannt sind. Pickett und Keim wurden in mehreren solcher Fälle als Sachverständige geladen. Letzterer war zuvor in Zusammenarbeit mit dem FBI an den Ermittlungen zur Herkunft des Anthrax beteiligt, das bei der Anschlagsserie 2001 verwendet wurde.
Um die Unterschiede zwischen den umstrittenen Stämmen herauszuarbeiten, schlug Keim den Anwälten vor, auch Richard Lenski hinzuzuziehen, einen Evolutionsbiologen der Michigan State University, der 1988 ein inzwischen berühmt gewordenes Experiment startete, in dem er 12 identische Populationen von Escherichia coli verfolgte und dokumentierte, wie sie sich über Jahrzehnte entwickeln. (Die Untersuchung läuft noch immer, inzwischen nach fast 85.000 Generationen.)
Evolution in der Petrischale
Im Rahmen ihrer Arbeit an dem Fall erstellten die Forscher anhand öffentlich zugänglicher Genomsequenzen und selbst sequenzierter Genome einen Stammbaum von C. botulinum.
Sie stellten fest, dass der Stamm Hall A und seine kommerziellen Nachkommen auf einem überraschend umfangreichen Ast des Stammbaums sitzen, was darauf hindeutet, dass die Stämme dieser Abstammungslinie viel schneller mutierten als ihre Verwandten.
„Das erinnerte mich an das, was wir bei unseren Experimenten mit E. coli beobachtet haben“, erklärt Lenski. In jenen Untersuchungen enthielten einige im Labor gezüchtete Stämme, die schneller als üblich zu mutieren begannen, einen Defekt in einem an der DNA-Reparatur beteiligten Gen. Auf Lenskis Anregung untersuchten Keim und Jason Sahl, Forscher für mikrobielle Genomik an der NAU, dieses Gen, um nach ähnlichen Defekten beim Stamm Hall A und seinen nahen Verwandten zu suchen. Und tatsächlich fanden sie einen: eine Mutation im Gen mutS.
Laut Keim geschah die Mutation vermutlich, als Hall mit dem Stamm arbeitete. In der Natur wäre sie wahrscheinlich schnell wieder verschwunden, im Labor aber gedieh sie, auch weil die Fachleute jene C. botulinum-Kulturen bevorzugten, bei denen sich die Wirkung der Mutation zeigte. mutS verhindert nämlich, dass C. botulinum Energie für die Sporenbildung verschwendet, sodass sich die Bakterien gut vermehren und ungewöhnlich große Mengen Toxin produzieren. Die Stoffwechselwege der Bakterien sind inzwischen auf das Leben im Labor feinabgestimmt statt auf das Leben in der Natur, sagt Keim.
„Diese Arbeit schließt wirklich eine fantastische Wissenslücke“, sagt Pickett, der inzwischen im Ruhestand ist und nicht direkt an der Untersuchung beteiligt war. Die Forschung biete weit mehr als nur einen Einblick in die Geschichte des Hall-Stamms und in die vom Menschen gelenkte Selektion, sagt Hong Lei, ein auf Bewegungsstörungen spezialisierter Augenarzt und Neurologe, der das Toxin BoNT für verschiedene medizinische Anwendungen einsetzt.
„Die Ergebnisse machen deutlich, dass biologische Therapien aus lebenden Organismen stammen, deren fortlaufende Evolution die Herstellung, die Konsistenz des Produkts und die künftige Arzneimittelentwicklung beeinflussen kann“
– sagt Lei.
Pickett freut sich besonders darüber, dass die Forschung Hall in den Mittelpunkt rückt, der seiner Meinung nach ein zu Unrecht vergessener Held der Geschichte von Botox und verwandten Mitteln ist. Zwar gelangte ein Teil von Halls „erstaunlicher“ Sammlung anaerober Organismen auch in andere Labore, doch der Großteil davon existiert nicht mehr. Die Genetik des Stamms Hall A zu entschlüsseln, sei eine schöne Hommage an einen ziemlich rätselhaften Forscher, sagt Pickett.
