Lennart Pyritz: In der Evolutionsbiologie geht es ja meist darum, Prozesse in der Vergangenheit zu rekonstruieren. Seit einiger Zeit versuchen Wissenschaftler aber auch, Abläufe und Resultate zukünftiger Evolutionsprozesse zu prognostizieren – zum Beispiel, um die Entwicklung von Krankheitserregern wie Bakterien oder Viren vorherzusagen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert derzeit einen Sonderforschungsbereich, kurz SFB, zum Thema "Vorhersagbarkeit in der Evolution", an dem Institute unterschiedlicher Länder beteiligt sind. Sprecher dieses SFB ist der Physikprofessor Michael Lässig von der Universität Köln. Ich habe ihn in dieser Woche in seinem Institut in Köln besucht und zuerst gefragt, wie ein theoretischer Physiker dazu kommt, die Evolution von Bakterien und Viren zu untersuchen.
Michael Lässig: Ja, da gibt's zwei Gründe: Einerseits, die Evolution, wenn man sie auf der molekularen Ebene von Zellen betrachtet, hat natürlich mit biophysikalischen Vorgängen zu tun. Zum anderen – und das ist vielleicht der fundamentalere Grund – ist in der Biologie jetzt eine der spannendsten Fragen der Wissenschaft, ob sie sich in gleicher Weise zu einer modellierbaren und quantitativ rechenbaren Wissenschaft entwickeln kann, wie wir das in der Physik seit ein paar hundert Jahren kennen und in der Chemie gesehen haben.
Pyritz: Wie gehen Sie und Ihre Kollegen denn jetzt konkret dabei vor, also bei dieser Prognostizierung von Evolution, wie muss man sich da die praktische Arbeit im Labor vorstellen?
Lässig: Es ist immer eine Kombination von Arbeiten im Labor, von Beobachtungen von natürlichen Systemen und von Modellierung, also Arbeit am Computer. Wenn man zum Beispiel den Influenzavirus nimmt, gibt es ein weltweites Netzwerk von Instituten, die Viren ständig sequenzieren und diese Informationen übermitteln, und aus denen müssen wir dann eine Historie der Evolution bestimmen und versuchen, die für einen beschränkten Zeitraum in die Zukunft zu projizieren.
"Evolution eines Tumors verstehen"
Pyritz: Sie haben jetzt das Beispiel Influenzavirus gebracht – welche medizinischen Hoffnungen sind denn generell damit verbunden, die Entwicklung von Bakterien und Viren vorhersagen zu können?
Lässig: Im Falle von Viren, gerade von weltweit Krankheit auslösenden Viren ist natürlich ganz klar die Aufgabe, durch Impfungen weltweit die Anzahl der Erkrankungen und damit die Anzahl der Todesfälle zu reduzieren. Das Ziel ist also hier ganz klar. Es geht darum, den Impfstoff, der immer wieder neu fortgeschrieben werden muss, damit er auf den sich evolvierenden Virus am besten passt, den zu optimieren, sodass er optimal wirksam wird. Es ist natürlich ein ebenso wichtiges Thema – die Entwicklung von Resistenzen bei Bakterien. Das wird ja auch sehr stark in der Öffentlichkeit diskutiert, wie sich zum Beispiel in Krankenhäusern resistente Stämme entwickeln. Bei der Krebsforschung ist eines der Hauptziele ein therapeutisches Ziel, dass wir verstehen, wie man zum Beispiel die Evolution eines Tumors durch Interventionen derartig beeinflussen kann, dass er langsamer evolviert oder zurückgeht.
Pyritz: An welchen Studienbereichen arbeiten Sie denn selbst, oder in welchen Bereichen aus diesem großen Feld sind Sie mit Ihrer eigenen Arbeit in diesem Sonderforschungsbereich beteiligt?
Lässig: Im Bereich der viralen Evolution, Influenza-Evolution, haben wir ein Vorhersageverfahren entwickelt, was aus diesen weltweiten Daten jeweils die Evolution für ungefähr ein Jahr vorhersagt, und diese Vorhersage geht in den WHO-Konsultationsprozess ein, in dem zweimal im Jahr bestimmt wird, welche Viren als Grundlage genommen werden für den jeweils aktualisierten Impfstoff.
Ja, natürlich ist eine modellbasierte Prognose keine Wundertüte – es gilt, in die Biologie des Systems einzusteigen. Wir müssen also bei den Viren sehen, welche biologischen Mechanismen vielleicht den einen Virustypus ein klein wenig fitter machen als den anderen. Und wenn wir die Biologie des Systems dahingehend verstanden haben, dann können wir ein sogenanntes Modell für Fitness machen. Wir können also aus den Daten, die wir erhalten – aus Sequenzdaten, aus physiologischen Daten –, zu berechnen versuchen oder zu inferieren versuchen, welcher Typus der fittere ist. Und dieser Typus ist dann der, der in der Zukunft gewinnen wird.
Das Wichtige dabei ist, dass wir unser Modell testen können, denn wir haben bei den Laborsystemen, wie zum Beispiel im System von Richard Lenski, wir haben in den lange beobachteten natürlichen Systemen, wie zum Beispiel bei Influenza, einen längeren Zeitraum, über den wir den Evolutionsprozess verfolgen könnten. Das heißt, wir können unser Modell, unsere Annahmen, unsere Vorhersagen über die letzten Jahre hinweg testen und validieren.
"Vorhersagen sind zeitlich beschränkt"
Pyritz: Um welche zeitlichen Dimensionen geht es denn grundsätzlich bei diesen Prognosen, also auch bei anderen Systemen, über welchen Zeitraum lässt sich die Evolution von Mikroorganismen oder Zellen dem jetzigen Kenntnisstand nach vorhersagen?
Lässig: Ich muss zunächst sagen, alle unsere Systeme sind – und das ist vielleicht der Unterschied zu den makroevolutionären Systemen – sehr schnell evolvierend. Sowohl Viren als auch Bakterien haben Generationszeiten von vielleicht einer halben Stunde oder so, was 25 Jahren beim Menschen entspricht. Das heißt, dass der Influenzavirus in den letzten 40 Jahren ein Viertel seines Genoms ausgetauscht hat und damit sich weit stärker evolviert hat, als es zum Beispiel dem Unterschied zwischen dem Schimpansen und uns entspricht. Also die Systeme evolvieren sehr schnell, sodass die Vorhersage auf jeden Fall zeitlich beschränkt ist.
Die wichtigen Zeitspannen, um die es in den medizinischen Anwendungen geht, sind von der Größenordnung von Monaten und Jahren. Wenn wir über den Influenza-Impfstoff reden, dann ist es der Influenza-Impfstoff für nächsten Winter, das heißt, da geht es drum, die Evolution etwa ein Jahr vorherzusagen. Wenn wir darüber reden, eine Therapie eines Krebspatienten zu optimieren, reden wir auch von Zeiträumen von Monaten bis Jahren, in denen dieser Evolutionsprozess und seine Bekämpfung stattfindet.
Pyritz: Sie haben es eben schon gesagt, Ihre Forschung zum Influenzavirus und zu dessen Evolution fließt bereits in Bewertungen der WHO ein. Wie ist das bei den anderen Projekten, also wie marktreif ist diese Forschung schon?
Lässig: Influenza ist ein relativ einfaches System, ein einfacher Virus, und wir haben eine Unmenge Daten, das heißt, das ist ein relativ produktives Modell, um Rechenmodelle zu entwickeln, weil wir auf einer wiederholten Evolution über Jahrzehnte aufbauen konnten. Bei anderen Systemen wollen wir zu einer solchen Routine kommen, hier sind aber zum Teil – wenn Sie jetzt an eine menschliche Krebszelle denken – natürlich um ein Vielfaches kompliziertere Systeme, sodass es da vielleicht noch ein bisschen länger dauert, bis wir zu einer vergleichbaren Routine kommen.
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