Was ist DNA Barcoding?

Sequenzierung eines kurzes Stückes vom Erbgut (DNA) eines Organismus zum Zweck der taxonomischen Identifikation, d.h. zur Klärung der Frage: Um welche Art handelt es sich?

Im DNA-Labor können routinemässig hunderte von Proben gleichzeitig bearbeitet werden.

Warum macht man das?

Es gibt alleine in Bayern mehr als 35 000 Tierarten. Die meisten Menschen können einige Arten sicher bestimmen - aber Hand aufs Herz: Wie viele Arten sind dies? Es gibt für viele Organismengruppen Spezialisten, die sehr viele Arten kennen. Man nennt diese Wissenschaftler Taxonomen oder Systematiker. Sie ordnen die Lebewelt in ein System, so dass wir Wissen über Arten zusammenfassen und austauschen können. "Kleiner brauner Käfer" - das ist nicht eindeutig. "Oryctes nasicornis" schon. Selbst Experten verzweifeln manchmal, wenn zum Beispiel Raupen, Maden, Engerlinge oder weibliche Tiere bestimmt werden müssen, die wichtige Bestimmungmerkmale (Gestalt, Struktur, Färbung) der Männchen nicht haben, z.B. fehlen dem Hirschkäferweibchen die für das Männchen typischen großen Greifzangen.

DNA Sequenzierung, d.h. die Ermittlung des genetischen Codes eines bestimmten Gens oder enabschnitts,  ist hingegen immer einfacher und billiger zu erzielen. Mit einer DNA Sequenz ist es spielend einfach, Arten zu bestimmen. Daher ist es sinnvoll und gut, im Internet eine große Sequenzdatenbank aufzubauen. Mit deren Hilfe können Arten sicher bestimmt werden - durch Standardprozeduren, die in jedem Labor überall auf der Welt von jedem Techniker nachvollzogen werden können. Damit ist auch die Qualität solcher Bestimmngsarbeiten auf Dauer gewährleistet.

Braucht man dann keine Taxonomen mehr?

Doch. Denn nur sie können die benötigten Datenbanken bauen und pflegen. Und sie beschreiben bislang unbekannte Arten und prüfen Arthypothesen, d.h. sie klären ab, ob sich hinter einem Namen nicht vielleicht doch mehrere Arten, die sich nur sehr ähnlich sehen, verbergen. Das geht nur mit Hilfe  vieler Merkmalsquellen - also Morphologie, Ökologie, Verhalten, Erbgut. Denn ein DNA Fragment alleine sagt uns nicht "Ich bin eine Art" - das Bezugssystem schaffen Taxonomen, die festlegen, was man unter einem Artnamen versteht. Manchmal müssen solche Hypothesen geändert werden, wenn man zum Beispiel lernt, dass sich zwei vermeintliche Arten sehr wohl kreuzen und man anfangs vielleicht nur unterschiedlich aussehende Exemplare einer Art für zwei Arten hielt. Jeder Mensch würde Dackel und Schäferhund ohne weitere Informationen für  zwei verschiedene Arten halten. Eine Hypothese, die wir mit unseren Kenntnissen sofort zurückweisen würden, da sich beide ja doch kreuzen lassen.

Wo findet man DNA?

In jeder Zelle. Also zum Beispiel nicht in Haaren, aber an der Haarwurzel. Also bei Haaren - ausreißen, nicht abschneiden.

Wie konserviert man DNA?

DNA wird vor allem durch Wasser zerstört: Gewebe und Wasser führt zur Aktivität von sogenannten DNAsen, also Enzymen, die DNA zerschneiden und damit zerstören. Daher trocknet man das Gewebe - möglichst schnell (Ofen, Sonne). Oder man fixiert das Gewebe in Ethanol (96%), der das Wasser aus dem Gewebe entzieht. Entzieht man das Wasser, unterbleibt die Zerstörung der DNA für lange Zeit. Daher können Gewebeproben u.a. aus Mumien oder tief gefrorenem Material oft erfolgreich DNA-sequenziert werden.

Haben alle Entwicklungsstadien eines Organismus identische DNA?

Ja. Ei, Raupe, Puppe und Schmetterling eines Tieres haben identische DNA, ebenso wie Kaulquappe und Frosch oder Made und Fliege.

Wie funktioniert das mit der Bestimmung einer Probe?

Alles, was man braucht, ist etwas Gewebe der Probe - etwa ein Fliegenbein, ein Stück Muskel, oder ein Ei. Dabei reichen wie in der Kriminalistik schon minimale Mengen, z.B. ein einzelnes Bein einer Mücke oder eines Flohs oder ein Schleimhautabstrich. Daraus kann man DNA extrahieren und sequenzieren. Vom Sequenzierlabor bekommt man dann die DNA Sequenz des gewünschten Genes: In unserem Fall der cytochrome c oxidase 1, oder kurz COI oder cox1.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen. Hier haben wir eine DNA Sequenz des COI-Gens. Der Artname wurde hier entfernt, die Zahlen sind Identifikationscodes für Datenbanken.

Gehe zu http://www.barcodinglife.org/ und klicke auf den "Identify Specimen" Schriftzug im Menü der dritten Spalte, dann öffnet sich dieses Fenster:

Zur Bestimmung kann man nun die Sequenz  TACTTTAT…..CATTTATTT oder einen Teil davon mit dem Cursor markieren und dann per Markieren / Einfügen (copy / paste) in den “Enter sequences….” Bereich einfügen. Dann: “Submit” klicken.

Es erscheint dann ein solches Fenster:

Die Probe weist 100% Übereinstimmung mit der Eintagsfliegenart Baetis scambus aus der Familie Baetidae auf.  Diese sehr gute Übereinstimmung kommt dadurch zustande, dass unsere Probesequenz und damit auch diese Art bereits in der Datenbank vorhanden war. Mit einer anderen Baetis Art in der Datenbank ist die Übereinstimmung nur noch 88%, dies ist kein guter "Match", denn 88% können sich bei einem sehr variablen Gen durchaus auch bei Arten ganz anderer Insektenordnungen ergeben, wenn die Datenbank nicht dicht besammelt ist.

Damit wird deutlich: Je besser die Datenbank, desto präziser die Möglichkeiten zur Identifikation. Deshalb verfolgt BFB das Ziel, möglichst viele Arten der bayerischen Fauna zu sequenzieren.

In einem weiteren Schritt kann man die Identifikation auch graphisch darstellen als Verzweigungsdiagramm, basierend auf Sequenzähnlichkeit (die Schaltfläche "Tree based identification"). Man bekommt folgendes Bild: