Wissenschaft

Antibiotika gehören zu den wichtigsten Errungenschaften der modernen Medizin. Sie haben unzählige Leben gerettet und Operationen, Krebstherapien und Transplantationsmedizin erst möglich gemacht. Doch ihre Wirksamkeit schwindet. Immer mehr Bakterien entwickeln Resistenzen, die sie unempfindlich gegen gängige Wirkstoffe machen. Die Weltgesundheitsorganisation zählt Antibiotikaresistenzen zu den größten globalen Gesundheitsbedrohungen. Fachleute sprechen bereits von einer stillen Pandemie.

Resistenzen entstehen durch natürliche Evolution. Bakterien vermehren sich extrem schnell und verändern ihr Erbgut ständig. Zufällige Mutationen können dazu führen, dass ein Bakterium ein Antibiotikum überlebt. Dieser resistente Klon vermehrt sich weiter, während empfindliche Bakterien absterben. Zusätzlich können Bakterien Resistenzgene horizontal übertragen – über Plasmide oder Viren –, selbst zwischen verschiedenen Arten. Dadurch verbreiten sich Resistenzen rasend schnell in Kliniken, Tierställen und der Umwelt.

Die Hauptursache für die Zunahme von Resistenzen ist der übermäßige und unsachgemäße Einsatz von Antibiotika. In der Humanmedizin werden sie oft bei viralen Infekten verschrieben, obwohl sie dort wirkungslos sind. In der Tierhaltung wurden sie lange als Wachstumsförderer eingesetzt, was in der EU inzwischen verboten ist, in anderen Ländern aber weiterhin praktiziert wird. Über Abwässer und Gülle gelangen Antibiotika und resistente Keime in Böden, Flüsse und Grundwasser. So entsteht ein globales Problem.

Die Folgen sind dramatisch. Infektionen mit multiresistenten Erregern wie MRSA oder gramnegativen Bakterien mit ESBL sind oft nur noch schwer behandelbar. Lungenentzündungen, Blutvergiftungen oder Harnwegsinfekte können wieder lebensbedrohlich werden. Routineeingriffe wie Kaiserschnitte, Hüftoperationen oder Chemotherapien wären ohne wirksame Antibiotika mit einem hohen Infektionsrisiko verbunden. Schätzungen gehen davon aus, dass jedes Jahr weltweit über eine Million Menschen direkt an resistenten Infektionen sterben – Tendenz steigend.

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Das James-Webb-Weltraumteleskop, kurz JWST, ist das ambitionierteste Weltraumobservatorium der Geschichte. Nach jahrzehntelanger Planung, zahlreichen Verzögerungen und Kostenexplosionen startete es im Dezember 2021 an Bord einer Ariane-5-Rakete. Seit dem Sommer 2022 liefert es atemberaubende Bilder und Daten, die unser Bild vom Kosmos grundlegend verändern. Als Nachfolger des Hubble-Teleskops beobachtet es im Infrarotbereich und kann dadurch viel weiter in die Vergangenheit blicken als je zuvor.

Technisch ist das JWST ein Meisterwerk. Sein Hauptspiegel hat einen Durchmesser von 6,5 Metern und besteht aus 18 sechseckigen, goldbeschichteten Berylliumsegmenten, die sich im All millimetergenau ausrichten mussten. Ein tennisplatzgroßes Sonnenschild schützt die Instrumente vor der Wärme von Sonne, Erde und Mond und kühlt sie auf etwa minus 233 Grad Celsius. Nur so kann das Teleskop die schwache Infrarotstrahlung ferner Galaxien empfangen. Stationiert ist es am Lagrange-Punkt L2, rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.

Eine der zentralen Aufgaben des JWST ist die Beobachtung der ersten Galaxien, die nach dem Urknall entstanden. Weil sich das Universum ausdehnt, wird das Licht dieser Objekte ins Infrarote verschoben – ein Effekt, für den Hubble weitgehend blind war. Das JWST hat bereits Galaxien entdeckt, die nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierten. Diese Funde stellen bestehende Modelle der Galaxienentstehung infrage, da die frühen Strukturen unerwartet groß und hell erscheinen.

Auch bei der Erforschung von Exoplaneten setzt das JWST neue Maßstäbe. Es kann das Licht von Sternen analysieren, das durch die Atmosphären vorbeiziehender Planeten fällt, und daraus die chemische Zusammensetzung bestimmen. So wurden bereits Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan und sogar Hinweise auf Schwefeldioxid in Atmosphären fremder Welten gefunden. Besonders spannend sind erdähnliche Planeten in der habitablen Zone, wo flüssiges Wasser möglich ist. Die Suche nach Biosignaturen – chemischen Spuren von Leben – hat damit eine neue Qualität erreicht.

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Die Entdeckung von CRISPR/Cas9 gehört zu den größten wissenschaftlichen Durchbrüchen des 21. Jahrhunderts. Was ursprünglich als bakterielles Abwehrsystem gegen Viren entdeckt wurde, hat sich binnen weniger Jahre zum präzisesten Werkzeug der Gentechnik entwickelt. Im Jahr 2020 erhielten Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna dafür den Nobelpreis für Chemie. Mit CRISPR/Cas9 können Wissenschaftler Erbgut gezielt schneiden, verändern und reparieren – schneller, günstiger und genauer als je zuvor.

Das Prinzip ist verblüffend einfach: Ein kurzes RNA-Molekül dient als Navigationssystem und erkennt eine bestimmte DNA-Sequenz. Das Enzym Cas9 folgt dieser Anleitung und schneidet die DNA an der gewünschten Stelle durch. Anschließend repariert die Zelle den Schnitt – entweder ungenau, wodurch ein Gen ausgeschaltet wird, oder mithilfe einer mitgelieferten Vorlage, wodurch gezielt neue Sequenzen eingefügt werden können. So lassen sich Gene korrigieren, entfernen oder hinzufügen.

In der Medizin eröffnet CRISPR völlig neue Perspektiven. Erste klinische Studien zur Behandlung von Sichelzellanämie und Beta-Thalassämie zeigten bemerkenswerte Erfolge. Dabei werden Blutstammzellen entnommen, genetisch verändert und wieder in den Körper zurückgegeben. Die Patientinnen und Patienten bilden anschließend funktionsfähige rote Blutkörperchen. Auch bei erblich bedingten Erblindungen, Muskelerkrankungen und bestimmten Krebsformen wird die Genschere erprobt. Die Vision: Krankheiten an ihrer genetischen Wurzel heilen.

Auch die Landwirtschaft profitiert von CRISPR. Im Gegensatz zu klassischer Gentechnik werden dabei oft nur einzelne Basenpaare verändert, ohne artfremde Gene einzufügen. Forscher entwickeln so etwa Weizen mit geringerem Glutengehalt, Tomaten, die länger frisch bleiben, oder Reissorten, die Dürre und Salzböden besser vertragen. In vielen Ländern gelten solche genomeditierten Pflanzen als weniger streng reguliert, was die Züchtung beschleunigt. Kritiker mahnen dennoch eine sorgfältige Risikobewertung an.

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Der menschliche Körper besteht aus etwa 30 Billionen Zellen – doch die Zahl der Mikroorganismen, die auf und in ihm leben, ist mindestens ebenso groß. Bakterien, Viren, Pilze und Archaeen besiedeln Haut, Mund, Atemwege und vor allem den Darm. Dieses komplexe Ökosystem wird als Mikrobiom bezeichnet. Lange wurde es unterschätzt, doch heute gilt es als eine Art zweites Genom, das entscheidend beeinflusst, wie wir verdauen, denken und krank werden.

Der Darm beherbergt die dichteste mikrobielle Gemeinschaft des Körpers. Dort helfen Bakterien nicht nur bei der Verdauung von Ballaststoffen, sondern produzieren auch kurzkettige Fettsäuren, die die Darmschleimhaut ernähren und Entzündungen hemmen. Zudem synthetisieren bestimmte Darmbakterien wichtige Vitamine wie Vitamin K und verschiedene B-Vitamine. Ohne diese mikrobiellen Helfer könnte der Körper viele Nährstoffe gar nicht aufschließen. Ein gesundes Darmmikrobiom ist daher Grundlage für eine gute Nährstoffversorgung.

Besonders faszinierend ist die Verbindung zwischen Darm und Gehirn, die sogenannte Darm-Hirn-Achse. Der Darm besitzt ein eigenes Nervensystem und kommuniziert über Botenstoffe, Hormone und den Vagusnerv mit dem Gehirn. Studien zeigen, dass die Zusammensetzung des Mikrobioms mit Stress, Angst und Depressionen zusammenhängen kann. Bestimmte Bakterienstämme produzieren Vorstufen von Serotonin und Dopamin, die das Wohlbefinden beeinflussen. Umgekehrt kann psychischer Stress die Darmflora aus dem Gleichgewicht bringen.

Auch das Immunsystem wird in erheblichem Maße durch das Mikrobiom geprägt. Rund 70 Prozent der Immunzellen befinden sich im Darm, wo sie ständig mit Bakterien interagieren. Eine vielfältige Mikrobiota trainiert das Immunsystem, zwischen harmlosen Mikroben und gefährlichen Krankheitserregern zu unterscheiden. Ist die mikrobielle Vielfalt gestört, steigt das Risiko für Autoimmunerkrankungen, Allergien und chronische Entzündungen. Eine gesunde Darmflora wirkt dagegen wie ein Schutzschild.

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Die Frage, ob wir allein im Universum sind, beschäftigt die Menschheit seit Jahrhunderten. Lange richtete sich der Blick dabei auf ferne Exoplaneten, doch auch in unserem eigenen Sonnensystem gibt es vielversprechende Orte, an denen Leben entstanden sein könnte – oder sogar noch existiert. Dank moderner Raumsonden und immer besserer Instrumente wird aus der philosophischen Frage zunehmend eine wissenschaftlich überprüfbare. Drei Himmelskörper stehen dabei besonders im Fokus: der Mars, der Jupitermond Europa und der Saturnmond Enceladus.

Der Mars galt schon früh als erdähnlichster Planet. Heute ist er eine kalte, trockene Wüste, doch Spuren ausgetrockneter Flussbetten, Mineralien, die nur in Wasser entstehen, und unterirdische Eisvorkommen belegen, dass es dort einst Seen und vielleicht sogar Ozeane gab. Rover wie Curiosity und Perseverance suchen derzeit nach organischen Molekülen und Hinweisen auf frühere mikrobielle Lebensräume. Besonders spannend sind Gesteinsproben, die Perseverance für eine spätere Rückführung zur Erde deponiert.

Der Jupitermond Europa birgt unter seiner kilometerdicken Eiskruste einen globalen Ozean aus flüssigem Wasser. Dieser Ozean enthält vermutlich mehr Wasser als alle irdischen Meere zusammen. Durch die Gezeitenkräfte des Jupiters wird der Mond innerlich aufgeheizt, sodass das Wasser flüssig bleibt. Am Grund des Ozeans könnten hydrothermale Quellen existieren, ähnlich jenen auf der Erde, die als mögliche Wiege des Lebens gelten. Geplante Missionen wie die NASA-Sonde Europa Clipper und die ESA-Mission JUICE werden den Eismond genauer untersuchen.

Der Saturnmond Enceladus hat die Forschung bereits überrascht. Die Sonde Cassini entdeckte gewaltige Fontänen aus Wasserdampf und Eispartikeln, die aus Rissen in der Südpolarregion ins All schießen. In diesen Fontänen fanden Wissenschaftler nicht nur Wasser, sondern auch Salze, organische Moleküle und sogar komplexe Kohlenstoffverbindungen. Das deutet darauf hin, dass unter der Eiskruste ein warmer, salziger Ozean existiert, der hydrothermal aktiv ist. Enceladus gilt deshalb als einer der vielversprechendsten Orte für außerirdisches Leben.

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