Abwasser ist eine wahre Fundgrube für Daten zu Viren in der unmittelbaren Umgebung, zeigt eine Studie der Arbeitsgruppe "RNA-Biologie und posttranskriptionale Regulation" von Professor Markus Landthaler am Max Delbrück Center. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen analysierten Proben aus einer Berliner Kläranlage mithilfe der Shotgun-Metagenom-Sequenzierung und haben so die Viren im Wasser umfassend untersuchen können: von der Bestimmung von Virusvarianten bis hin zur Nachverfolgung einzelner Veränderungen im Erbgut.

Verbreitung der Virusvarianten nachverfolgen

Sie fanden dabei zuverlässig alltägliche Viren wie RSV oder Grippe und konnten die saisonale Ausbreitung der Virusvarianten nachvollziehen. Je nach Jahreszeit wiesen sie außerdem saisonal typische Arten im Abwasser nach: Viren, die Spargel infizieren, tauchten im Frühjahr auf, Weintrauben-Viren im Herbst und solche, die es auf Wassermelonen oder die Berliner Mücken abgesehen haben, im Sommer.

Die weit verbreiteten Astroviren, die beim Menschen den Magen-Darm-Trakt befallen, schauten sich die Forschenden genauer an. Sie verglichen, welche Mutationen im viralen Genom im Berliner Abwasser vorkamen und welche anderswo gefunden worden waren. So konnten sie die weltweite Ausbreitung einzelner Stämme nachverfolgen. In angereicherten Proben detektierten und sequenzierten sie außerdem etwa 70 menschliche Pathogene, die seltener zu finden sind. Sie fanden Hinweise auf Tausende neuartiger Viren. Darüber hinaus brachten die Daten Hunderte Enzyme namens TnpB-Endonukleasen ans Licht, die potenziell in der Biotechnologie nützlich sein können. Das Team stellt seine Studie im Fachjournal "Environment International" vor.

"Die Überwachung des Abwassers hat meines Erachtens ungeheures Potenzial. Denn Sequenzierungen werden billiger", sagt Prof. Dr. Landthaler. "Und mit den Maschinen werden sich auch die Bioinformatik-Werkzeuge verbessern, die wir für die Analyse dieser Daten brauchen."

Suche nach neuartigen Viren anspuchsvoll

Die Forschung an den Abwasserproben wurde während der Coronapandemie begonnen. Durch eine Kooperation mit den Berliner Wasserbetrieben hatte die Arbeitsgruppe von Professor Landthaler Proben aus einer Berliner Kläranlage bekommen. So konnte das Team die Verbreitung der SARS-CoV-2-Varianten verfolgen. Als die Pandemie allmählich abebbte, beschlossen die Wissenschaftler*innen die zwischen März 2021 bis Juli 2022 gesammelten Proben erneut zu untersuchen. "Wir waren neugierig, was da noch zu finden ist", sagt Dr. Emanuel Wyler, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Landthaler und Erstautor der Studie. "Wir hatten hier ja ein sehr umfassendes Set an Daten, das in seiner Tiefe und Zeitspanne einzigartig ist."

Die Wasserproben mussten zunächst filtriert werden. © Felix Petermann, Max Delbrück Center

Die Forschenden extrahierten RNA aus den Proben und generierten 116 Bibliotheken komplementärer DNA. Sie speisten die Bibliotheken in einen Sequenzierer ein – das Ergebnis waren Millionen Messwerte. "Diese Daten zu analysieren, ist eine Herausforderung", sagt Dr. Chris Lauber, ein auf Bioinformatik spezialisierter Virologe von TWINCORE, dem Zentrum für Experimentelle und Klinische Infektionsforschung der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) und dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI).

"Genomische Daten in die großen Virenfamilien einzusortieren, ist vergleichsweise einfach. Aber eine tiefgehende Analyse, die nach Varianten oder ganz neuen Viren sucht, kann sehr anspruchsvoll sein."

Dies alles zeige, welches Potenzial die Überwachung des Abwassers hat – um die Evolution pathogener Viren zu untersuchen und im Hinblick auf die öffentliche Gesundheit, meint Professor Landthaler und sagt: "Die Analyse des Metagenoms von Abwasser an möglichst vielen Standorten weltweit sollte Priorität haben".

Publikation:
Emanuel Wyler, Chris Lauber, Artür Manukyan, Aylina Deter, Claudia Quedenau, Luiz Gustavo Teixeira Alves, Claudia Wylezich, Tatiana Borodina, Stefan Seitz, Janine Altmüller, Markus Landthaler:Pathogen dynamics and discovery of novel viruses and enzymes by deep nucleic acid sequencing of wastewater, Environ-ment In ternational, Volume 190, 2024, https://doi.org/10.1016/j.envint.2024.108875

Quelle: Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft