DNA der Nikobarentaube und 2.300 KI-Zielregionen bringen Dodo-Projekt in neue Testphase

Eine lebende Taube steht im Zentrum des geplanten Comebacks eines ausgestorbenen Vogels

Colossal Biosciences zufolge hat die neue Plattform für künstliche Intelligenz rund 2.300 DNA-Zielregionen identifiziert, die Aufschluss über den charakteristischen Schnabel und die Gesichtsform des Dodos geben könnten. Der geplante Weg des Biotechnologieunternehmens aus Dallas zurück zu einem lebenden Vogel führt über eine Art, die auf den Andamanen und Nikobaren sowie andernorts in Südostasien vorkommt: die Nikobarentaube.

Das Unternehmen hält inzwischen 36 Nikobarentauben in einer Zuchtkolonie in Texas. Deren Zellen sollen als Ausgangsmaterial für Vögel mit ausgewählten Dodo-Merkmalen dienen. Dazu will das Unternehmen alte DNA, Gentechnik und Fortpflanzungstechniken mit Leihhühnern kombinieren.

Colossals Ankündigung von GenoMorph beschreibt ein Werkzeug, das mit Entwicklungsdaten von Wachteln, Enten, Hühnern und Tauben trainiert wurde. Es soll aus einer riesigen Liste genetischer Unterschiede jene Kandidaten herausfiltern, die Wissenschaftler im Labor testen können.

Das Projekt steht vor drei miteinander verbundenen Aufgaben: herauszufinden, welche DNA-Veränderungen die gewünschten Merkmale hervorbringen, diese Veränderungen in Zellen vorzunehmen, die sie an Nachkommen weitergeben können, und auf Mauritius, der einzigen Heimat des Dodos, einen geeigneten Lebensraum vorzubereiten. In allen drei Bereichen sind Fortschritte nötig, bevor ein gentechnisch veränderter Vogel Teil einer dortigen Zuchtpopulation werden könnte.

Das angestrebte Tier bezeichnet das Unternehmen als funktionalen Dodo, der wichtige Merkmale der ausgestorbenen Art trägt. Das Natural History Museum beschreibt das geplante Ergebnis als dodoähnliche Taube. Der unterschiedliche Sprachgebrauch spiegelt eine zentrale wissenschaftliche Debatte wider: Wie genau könnte ein gentechnisch veränderter Vogel einem Tier ähneln, dessen Aussehen und Verhalten noch immer nicht vollständig verstanden sind?

Warum ein einziges erhaltenes Genom ein schwieriges Rätsel aufgibt

Colossal hat ein hochwertiges Dodo-Genom zusammengestellt. Zum Vergleich: In der Ankündigung von GenoMorph verweist das Unternehmen auf 104 Genome des Wollhaarmammuts. Ein Genom ist die Gesamtheit der genetischen Bauanleitungen eines Organismus. Mehrere Exemplare helfen Forschern festzustellen, welche Unterschiede innerhalb einer Art häufig vorkommen und welche mit bestimmten Merkmalen zusammenhängen.

Das Klima auf Mauritius erschwert die Erhaltung dieser Bauanleitungen. Hitze und Feuchtigkeit zersetzen DNA in Fragmente, während die mit Mammutfunden verbundenen kälteren Bedingungen deutlich mehr Material bewahrt haben. Mit nur einem hochwertigen Dodo-Genom haben Wissenschaftler weniger Möglichkeiten zu prüfen, ob ein bestimmtes genetisches Merkmal für Dodos typisch war.

Beth Shapiro, Colossals wissenschaftliche Leiterin, führte gemeinsam mit Tom Gilbert und John Fjeldså von der Universität Kopenhagen das Team für Sequenzierung und Genomassemblierung. Laut dem Projektplan zum Dodo des Unternehmens nutzte das Team dafür DNA aus einem Schädel, der im Natural History Museum of Denmark aufbewahrt wird.

Colossal zufolge wurde das Genom mit einer Abdeckung von etwa 50-fach sequenziert. Das bedeutet, dass die DNA-Positionen im Durchschnitt ungefähr 50-mal gelesen wurden, was den Forschern eine Überprüfung der Sequenz erleichtert. Das Unternehmen bezeichnet das Genom außerdem als zu rund 95 Prozent vervollständigt und die Analyse als beinahe abgeschlossen. Die Abdeckung gibt an, wie oft eine Sequenz gelesen wurde; die Vollständigkeit betrifft den Anteil der wiederhergestellten Sequenz.

Wie GenoMorph nach dem Dodo-Schnabel sucht

GenoMorph kombiniert Informationen über lebende Vögel mit der alten Dodo-Sequenz. Das Trainingsmaterial umfasst laut Colossal regulatorische DNA, die in sechs Stadien der Embryonalentwicklung und in drei an der Gesichtsentwicklung beteiligten Regionen erfasst wurde. Hinzu kommen genetische Informationen und Schädelmessungen von mehr als 70 Vogelarten.

Regulatorische DNA funktioniert wie eine Reihe von Schaltern und Dimmern. Sie steuert mit, wann ein Gen aktiv wird, wo es wirkt und wie stark. Veränderungen an diesen Steuermechanismen können die Form eines sich entwickelnden Schnabels oder Schädels beeinflussen.

Die detaillierte Aufschlüsselung des Unternehmens nennt 653 regulatorische Elemente als Kandidaten, die mit der Schnabelgröße zusammenhängen, und 1.698, die mit Dicke und Breite in Verbindung stehen. Zusammen ergeben diese Kategorien 2.351 Kandidaten und passen damit zur gerundeten Schlagzeilenzahl von 2.300 Zielregionen.

Shapiro erklärte, wie das Unternehmen von computergestützten Vorhersagen zu Experimenten übergeht:

GenoMorph untersucht stattdessen, wie sich Schädel und Schnäbel bei mehr als 70 lebenden Vogelarten entwickeln, und lernt, welche genetischen Schalter ihre Form steuern. Das Ergebnis war eine Auswahlliste mit rund 2.300 Kandidaten, die mit Größe und Form des Schnabels zusammenhängen. Diese Zielregionen werden jetzt im Labor überprüft.

Bei einer Überprüfung im Labor wird eine mögliche DNA-Region verändert oder getestet und anschließend beobachtet, was geschieht. Bevor sie Veränderungen für die Zellen der Nikobarentaube auswählen können, müssen Forscher feststellen, welche Kandidaten die Entwicklung beeinflussen, wie stark ihre Wirkung ist und wie sie zusammenwirken.

Was macht die Nikobarentaube geeignet?

Die Nikobarentaube ist der nächste heute lebende Verwandte des Dodos. Ihr schillerndes grünes und kupferfarbenes Gefieder und ihre Flugfähigkeit lassen sie ganz anders aussehen als den ausgestorbenen Vogel. Ihre genetische Verwandtschaft macht sie dennoch zur Grundlage von Colossals Gentechnikplan.

Auch der ausgestorbene Rodrigues-Solitär ist ein wichtiger Vergleich. Colossal bezeichnet ihn als nächsten genetischen Verwandten des Dodos und nutzt sein Genom, um besser zu verstehen, welche Merkmale die beiden ausgestorbenen Vögel teilten. Der Unterschied ist klar: Der Solitär liefert alte genetische Informationen, während die lebende Nikobarentaube Zellen für Experimente und die Fortpflanzung bereitstellen kann.

Colossal zufolge ist die Zuchtkolonie in Texas nach erfolgreichen Zuchtversuchen auf 36 Vögel angewachsen. In der Kolonie können die Forscher Entwicklung, Fortpflanzung und Genetik untersuchen; zugleich liefert sie die spezialisierten Zellen, die der geplante Fortpflanzungsansatz benötigt.

Diese Zellen werden als primordiale Keimzellen oder PGCs bezeichnet. Es handelt sich um frühe Zellen, aus denen später Eizellen oder Spermien entstehen. Werden sie verändert, lassen sich genetische Anpassungen an Nachkommen weitergeben, statt nur den Körper eines einzelnen Vogels zu verändern.

Die Züchtung von Fortpflanzungszellen war ein früher Wendepunkt

Colossal hatte zuvor mitgeteilt, dass das Unternehmen primordiale Keimzellen der Felsentaube, der in Städten verbreiteten Taube, 60 Tage lang kultiviert hatte. Die Forscher testeten mehr als 300 Kombinationen aus Nährstoffen, Wachstumsfaktoren und weiteren Inhaltsstoffen, bevor sie Bedingungen fanden, unter denen die Zellen weiterwuchsen.

Anna Keyte, Colossals Leiterin für Vogelarten, sagte, ein bewährtes Verfahren zur Kultivierung von Hühnerkeimzellen habe bei anderen getesteten Vögeln, darunter Wachteln, nicht funktioniert. Je nach Art können unterschiedliche Bedingungen nötig sein. Das Ergebnis mit Taubenzellen ist daher ein praktischer Schritt hin zur Arbeit mit Zellen der Nikobarentaube.

Als die Forschung an der Felsentaube bekannt gegeben wurde, war sie noch nicht von Fachkollegen begutachtet worden. Bei einem Peer-Review prüfen andere Forscher eine Studie, bevor sie in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift veröffentlicht wird. Colossal teilte später mit, bei seiner Arbeit mit Nikobarentauben die essenziellen Zellen erzeugt zu haben, aus denen Eizellen und Spermien entstehen.

Als nächsten Fortpflanzungstest nach der Ankündigung zur Felsentaube wollte das Unternehmen kultivierte Taubenzellen mithilfe von Leihhühnern zu lebenden Tauben entwickeln. Colossals Plan sieht außerdem vor, verschiedene Bedingungen zu testen, um das Wachstum primordialer Keimzellen der Nikobarentaube zu verbessern, und anschließend ausgewählte Dodo-Merkmale in diese Zellen einzubringen.

Warum Hühner Teil des Plans sind

Für die Fortpflanzung von Vögeln ist ein anderer Ansatz erforderlich als die bei Säugetieren verwendeten Klonverfahren. Colossals Strategie setzt auf Hühner, die von Tauben abstammende Fortpflanzungszellen tragen. Die körpereigenen Keimzellen der Hühner sollen zuvor gentechnisch entfernt werden.

Die Forscher würden veränderte primordiale Keimzellen von Tauben in sich entwickelnde Hühnerembryonen übertragen. Daraus sollen ausgewachsene Leihvögel hervorgehen, die Eizellen oder Spermien aus den übertragenen Zellen produzieren. Über dieses Verfahren gezüchtete Nachkommen würden anschließend die ausgewählten genetischen Veränderungen tragen.

Hühner eignen sich, weil Wissenschaftler bereits umfangreiche Erfahrung mit ihrer Genetik und Fortpflanzung haben. Zudem lassen sie sich laut Colossal wegen ihrer eingeschränkten Flugfähigkeit leichter halten als Tauben.

Shapiro hat erklärt, dass die nötige Züchtung mütterlicher und väterlicher Linien zusätzliche Zeit erfordert. Die Forscher müssen Vögel erhalten, die die benötigten Fortpflanzungszellen produzieren, und sie so züchten, dass die Nachkommen die gewünschten Veränderungen von beiden Elternteilen erben. Im Projektplan des Unternehmens wird auch die begrenzte Effizienz, viele genetische Veränderungen auf einmal vorzunehmen, als technische Einschränkung genannt.

Ein schnellerer Weg, Veränderungen im Ei zu testen

Colossal zufolge hat das Unternehmen Lipid-Nanopartikel entwickelt, die gentechnische Werkzeuge direkt in sich entwickelnde Vogelembryonen einschleusen können. Diese winzigen Partikel aus Fettstoffen transportieren DNA, RNA oder CRISPR-Bestandteile in Zellen. CRISPR ist ein Werkzeug für gezielte Veränderungen der DNA.

Der mögliche Vorteil ist die Geschwindigkeit. Wissenschaftler können beobachten, wie sich eine Veränderung auf die Embryonalentwicklung auswirkt, ohne warten zu müssen, bis ein Vogel ausgewachsen ist und einen Fortpflanzungszyklus abgeschlossen hat. So könnten sie die Kandidaten von GenoMorph prüfen, bevor sie sich auf den längeren Fortpflanzungsprozess festlegen.

Bei ersten Experimenten zielten die Forscher auf das an der Knochenentwicklung beteiligte Gen Runx2, unter anderem in Embryonen von Felsentauben und Enten. Nach diesen Veränderungen berichtete Colossal von sichtbaren Veränderungen an Schädel- und Gesichtsmerkmalen.

Das Unternehmen zufolge wurden vorläufige Ergebnisse auf Konferenzen zur kraniofazialen Entwicklung und Molekularbiologie vorgestellt; eine Veröffentlichung auf dem Preprint-Server bioRxiv ist geplant. Ein Preprint macht Forschung öffentlich zugänglich, bevor sie von Fachkollegen begutachtet wurde. Als Nächstes sollen die regulatorischen Kandidatenelemente experimentell getestet und vielversprechende Veränderungen für Keimzellen der Nikobarentaube ausgewählt werden.

Wie ähnlich könnte ein gentechnisch veränderter Vogel einem Dodo sein?

Der Dodo-Faktenführer des Natural History Museum erläutert eine grundlegende Schwierigkeit: Es gibt nur begrenzte Belege dafür, wie Dodos aussahen und sich verhielten. Kein vollständig ausgestopftes Exemplar ist erhalten geblieben, und nur zwei nahezu vollständige Skelette enthalten Knochen, die nachweislich zu einem einzelnen Individuum gehören. Beide werden auf Mauritius aufbewahrt.

Das Museum schätzt, dass Dodos etwa 70 Zentimeter groß wurden und rund zwölf Kilogramm wogen. Auf seiner Projektseite nennt Colossal eine größere Spanne von 81 bis 97 Zentimetern und 13 bis 23 Kilogramm. Dem Museum zufolge schwankte das Gewicht wahrscheinlich je nach Jahreszeit. Forschungsergebnisse zeichnen zudem das Bild eines schlankeren und beweglicheren Vogels, als es viele bekannte Illustrationen nahelegen.

Scott MacDougall-Shackleton, Mitgründer und Leiter der Advanced Facility for Avian Research an der Western University, sagt, dass die Entwicklung durch Wechselwirkungen zwischen Genen, der Biologie der Eltern, Hormonen und Umwelt geprägt wird. Er erläuterte, warum er die Beschreibung des Unternehmens für sein Ziel infrage stellt:

Während der Entwicklung interagiert unser Genom mit den Genomen der Eltern, Hormonen und der Umwelt. Dadurch werden Gene auf komplexe Weise an- oder ausgeschaltet, die wir bei einer ausgestorbenen Art weder kennen noch wiederholen können.

Auch Leonardo Campagna, Evolutionsbiologe am Cornell Lab of Ornithology, hat infrage gestellt, wie viel Wissenschaftler über die genetische Architektur des Dodos und deren Wechselwirkungen mit der Umwelt rekonstruieren können. Colossal zufolge geht es dem Unternehmen darum, wichtige Merkmale und ökologische Funktionen wiederherzustellen, nicht darum, eine genetisch völlig identische Kopie zu erzeugen.

Auf Mauritius braucht es mehr als einen schlüpfenden Vogel

Der Dodo verschwand von Mauritius, nachdem Jagd, Veränderungen seines Lebensraums und eingeschleppte Tiere die Insel verändert hatten. Ratten, Schweine und andere zugewanderte Tiere bedrohten Vögel und Nester. Jedes Auswilderungsprogramm müsste diesen Gefahren begegnen und zugleich genügend geeigneten Lebensraum für eine wachsende Population bieten.

Die historische Abfolge zeigt auch, warum die letzte Sichtung und das geschätzte Aussterbedatum nicht dasselbe sind:

• 1598: Niederländische Seefahrer erreichten Mauritius. Dort hatten sich Dodos ohne die eingeschleppten Fressfeinde entwickelt, die mit der menschlichen Besiedlung folgten.
• 1662: Die bekannteste verlässliche Sichtung wurde dokumentiert. Das Natural History Museum erörtert auch eine mögliche Sichtung noch im Jahr 1680.
• Um 1690: Die Forscher David Roberts und Andrew Solow schätzten das Aussterbedatum in einer 2003 veröffentlichten Analyse, auf die Colossal verweist.
• 1865: Die Entdeckung der Ablagerungen im Sumpf Mare aux Songes lieferte umfangreiche Überreste, die Wissenschaftlern halfen, die Umwelt des Dodos zu rekonstruieren.

Colossal zufolge arbeitet das Unternehmen mit Forschern aus Mauritius, Naturschutzgruppen und der Regierung zusammen, darunter im Rahmen einer Partnerschaft mit der Mauritian Wildlife Foundation. Bei der Suche nach möglichen Standorten werden Gebiete ohne Ratten einbezogen. Geschäftsführer und Mitgründer Ben Lamm sagt, dass Standorte für eine Auswilderung nach ökologischen Untersuchungen und Gesprächen mit den Gemeinden ausgewählt werden.

Lamm hat das Ziel beschrieben, Tausende Vögel mit gentechnisch erzeugter genetischer Vielfalt hervorzubringen. Shapiro zufolge würde eine Ansiedlung schrittweise erfolgen. Die jüngste KI-Ankündigung enthielt keinen Termin für den Schlupf. Lamms frühere Schätzung von mindestens fünf bis sieben Jahren war eine Projektion aus der Ankündigung zu den Fortpflanzungszellen und kein neu bestätigter Zeitplan.

Vorteile für den Naturschutz und die Debatte über Prioritäten

Die Techniken könnten auch bei noch lebenden Vögeln zum Einsatz kommen. Die Züchtung und Konservierung von Fortpflanzungszellen sowie die Übertragung nützlicher genetischer Varianten könnten Populationen mit geringer genetischer Vielfalt oder erheblichen Krankheitsrisiken helfen.

Colossal verweist auf die Mauritius-Rosentaube. Die Population wird auf der Projektseite des Unternehmens auf 375 bis 490 Tiere geschätzt; 1994 lebten demnach 77 Vögel in freier Wildbahn. Diese Zahlen stehen für eine Erholung, die jedoch weiterhin von Problemen durch Inzucht und Krankheiten geprägt ist, darunter eine Infektion mit dem Parasiten Trichomonas gallinae.

Cock van Oosterhout, Professor für Evolutionsgenetik an der University of East Anglia, sieht Potenzial darin, in historischen Proben oder verwandten Arten nach Krankheitsresistenzen zu suchen und diese in gefährdete Populationen einzubringen. Für seine Forschung an Rosentauben hat er eine Spende von Colossal erhalten. Seiner Ansicht nach kann diese Technologie die Erholung unterstützen. Der Verlust von Lebensräumen und andere Ursachen der Biodiversitätskrise erfordern jedoch weiterhin direkte Maßnahmen.

Der Oxford-Biologe Rich Grenyer hat davor gewarnt, dass Versprechen einer Wiederbelebung die Dringlichkeit des Kampfes gegen das Artensterben abschwächen könnten. Er sieht darin eine moralische Gefahr: Menschen könnten eher bereit sein, Schäden in Kauf zu nehmen, wenn sie glauben, eine ausgestorbene Art später ersetzen zu können.

Die Finanzierung von Colossal verleiht diesen Argumenten praktisches Gewicht. Zusammen mit der früheren Ankündigung zu den Zellen gab das Unternehmen zusätzliche Finanzmittel in Höhe von 120 Millionen US-Dollar bekannt. Damit belief sich das insgesamt aufgenommene Kapital auf 555 Millionen Dollar und die Unternehmensbewertung auf 10,2 Milliarden Dollar. Der Investor und XPRIZE-Gründer Peter Diamandis kündigte außerdem NeoGenesis Capital an, das Unternehmen unterstützen soll, die Colossals programmierbare Biologieplattform in den Bereichen Gesundheit, Landwirtschaft und Naturschutz einsetzen.

Das Dodo-Projekt verbindet inzwischen umfangreiche private Finanzierung mit konkreten Labortests und Naturschutzplanung. Die nächsten Meilensteine sind klar umrissen: die DNA-Kandidaten überprüfen, gesunde Nachkommen mit nützlichen genetischen Veränderungen hervorbringen und auf Mauritius die Voraussetzungen für das Überleben einer Population schaffen.

Die wichtigsten Punkte

• Colossal zufolge hat GenoMorph rund 2.300 mögliche DNA-Zielregionen identifiziert, die mit Schnabel und Gesichtsform des Dodos zusammenhängen.
• Das Unternehmen verfügt über ein hochwertiges Dodo-Genom und eine Kolonie mit 36 Nikobarentauben in Texas.
• Der geplante Fortpflanzungsweg nutzt veränderte Taubenkeimzellen und Leihhühner.
• Embryonenexperimente und Laborprüfungen sollen zeigen, welche genetischen Veränderungen nützliche Merkmale hervorbringen.
• Der angestrebte Vogel soll ausgewählte Merkmale des Dodos tragen. Wissenschaftler diskutieren darüber, wie genau er die ausgestorbene Art nachbilden könnte.
• Die KI-Ankündigung enthielt keinen Schlupftermin. Für eine mögliche Auswilderung sind Arbeiten am Lebensraum und Gespräche auf Mauritius nötig.