Neue Forensik mit KI: Wie Bakterien Verbrecher überführen können

Quelle: RedaktionsNetzwerkDeutschland,
4. Dezember 2024

Von Lucie Wittenberg

Die DNA-Analyse hat die Kriminalarbeit revolutioniert. Eine andere Art von Fingerabdruck könnte die Jagd nach Verbrechern künftig noch beschleunigen: Das Mikrobiom. Denn jeder Mensch auf der Welt hat sein ganz eigenes Bakterienmuster. Ein Gespräch über neue Arten der Forensik.

Egal, wie sehr wir putzen oder desinfizieren: Bakterien und Viren besiedeln jeden Menschen und jedes Lebewesen. Das sogenannte Mikrobiom, also die Gesamtheit aller Mikroorganismen, ist so individuell wie ein Fingerabdruck. Das ist besonders für die Ermittlungsarbeit interessant.

Ein Forschungsteam an der schwedischen Universität Lund hat sich diese Einzigartigkeit zunutze gemacht und ein neues System zur Strafverfolgung entwickelt. Mit dem „Microbiome Geographic Population Structure“ (mGPS) können mikrobiologische Proben genau zugeordnet werden. Das funktioniert auch mit der Hilfe einer KI, die eine Probe mit hoher Genauigkeit zuordnen kann. Was die Forschungsarbeit für die Polizeiarbeit und die Forensik bedeutet, erklärt Mark Benecke. Er ist Sachverständiger für biologische Spuren und Forensiker.

Herr Benecke, was ist ein Mikrobiom eigentlich?

Mikrobiome sind die auf alle möglichen Umgebungen fein angepassten Lebensgruppen von zumeist Bakterien. Es gibt sie überall, auch auf und in Menschen. Wir bestehen sogar aus mehr Bakterien- als Menschenzellen. Aber natürlich leben sie auch in der Erde, im Wasser, als Schmierfilme auf Oberflächen aller Art und auch sonst überall.

Die Universität Lund hat ein neues KI-gestütztes Mikrobiom-Werkzeug für Polizei und Forensik entwickelt. Was steckt dahinter?

Die Zusammensetzung von superkleinen Gemeinschaften von Lebewesen, dem Mikrobiom, verrät — wenn zuvor eine Datenbank dafür aufgebaut wurde — wo sie herkommen. Es gibt ultraviele Bakterien und noch mehr Zusammensetzungen. Das kann kein Mensch und auch kein normaler Rechenweg mehr zuordnen und zusammenführen. So kam die Künstliche Intelligenz zum Zuge. Mit ihr lässt sich aus der Zusammensetzung eines „Bakterienhaufens“ bestimmen, wo er lebte und herkam.

Wie können Mikrobiome bei Ermittlungen helfen?

Sie enthalten besonders vielfältige und darum aussagekräftige Informationen. Beispiel: Wenn ich das Blatt einer Erle in einem Sack mit einer Leiche finde, nützt das nicht so viel, denn es gibt viele Erlen. Habe ich aber Blätter von zehn verschiedenen Bäumen im Sack mit der Leiche, dann gibt es vielleicht nur noch wenige Orte, wo diese Bäume gemeinsam leben. Dort kann ich dann nach Spuren der Tötung oder des Verpackens der Leiche schauen.

Das Werkzeug soll es möglich machen, den Weg eines Verdächtigen (nach-)verfolgen zu können. Wie soll das gehen?

Die verschiedenen „Bakterien-Knubbel“ bleiben in Reifen, an Taschen, Schuhen, Händen, in der Lüftung und so weiter hängen. Dort kann ich sie abnehmen und dann im Labor zuordnen, woher sie stammen, also wo jemand sich aufgehalten und die Spur aufgepickt hat. Verschiedene Orte sind durch verschieden zusammengesetzte Bakteriengruppen gekennzeichnet: Unterschiedliche Bakterien fühlen sich an verschiedenen Orten wohl.

Die Zusammenstellung der Bakterien und ihre Arten sind wie ein Fingerabdruck der örtlichen Lebensbedingungen. Es ist wie mit dem Foto einer Stadt: Häuser gibt es überall. Aber die Zusammenstellung der Gebäude gibt es nur einmal. So lässt sich eine Stadt auf einem Foto anhand der Zusammenstellung der Gebäude eindeutig erkennen. Im Kleinen geht das stattdessen mit der Zusammensetzung und der Art der Bakterien.

Hat die Methode einen Vorteil im Vergleich zur DNA oder anderen forensischen Auswertungsmöglichkeiten?

Foto: Mark Benecke

Es ist ein zusätzliches, unabhängiges Verfahren. Das ist immer gut: Wenn eins der anderen Verfahren nicht so aussagekräftig ist, dann habe ich eine weitere, sachliche, nicht von Gefühlen oder Missverständnissen oder der Erinnerung abhängige Informationsquelle.

Was sind die Nachteile?

Nachteil würde ich es nicht nennen, aber die Genauigkeit ist nicht hundertprozentig. Aus welcher Stadt eine Probe stammte, konnte in der Studie mit immerhin 92-prozentiger Genauigkeit erkannt werden. Das ist schon sehr gut. Woher innerhalb einer Stadt die Probe stammte, konnte in mehr als vier Fünftel der untersuchten Fälle festgelegt werden. Das ist wirklich eindrucksvoll. Teils lagen die Probe-Orte weniger als einen Kilometer auseinander.

Wann könnte die Technik zum Einsatz kommen?

Jederzeit. Ich wende mit meinem Team manche Verfahren nur einmal an, andere dauernd. Das ist ganz fließend: Wenn sich eine Technik polizeilich bewährt, dann wird sie öfter eingesetzt. Wenn nicht, dann seltener oder nur in sehr schwierigen oder von irgendjemandem als wichtig wahrgenommenen Fällen.

Wieso sprechen die Entwickler aber davon, dass es noch einige Jahre dauern könnte?

Weil es für gerichtliche Fälle oft wichtig ist, dass die Spuren aus sich heraus beweiskräftig sind. Dazu müssen sie getestet werden. Außerdem sind für die Bakterienabgleiche auch viele Proben, also Datenbankeinträge nötig. Und die Umwelt und damit die Bakterien ändert sich. Das Gericht muss aber sicher sagen können: Die Bakterien unter ihren Schuhen stammen sicher vom Ort, an dem die Leiche gefunden wurde.

Anders sieht es aber mit ersten Untersuchungen bei der Polizei aus, da können schon Hinweise statt Beweise die Ermittlungen in eine vernünftige Richtung oder weg von einer weniger vernünftigen lenken. Daher sickern neue Verfahren immer langsam ein: Erst in der Wissenschaft und im Labor, dann bei der Polizei in der Ermittlungsarbeit und schließlich vor Gericht als harte Spurenbeweise.

Welches Potenzial bietet KI generell für Ermittlungsbehörden und wo wird sie bereits eingesetzt?

K.I.-Anwendungen schleichen sich überall in die Arbeit, sei es bei der Bearbeitung und Verbesserung von Fotos bis hin zur Untersuchung von Texten. Beispiele sind klassisches Zusammentragen von Informationen, wie es jetzt schon viele Schülerinnen und Schüler mit Chat-GPT machen — das geht natürlich auch bei der Polizei und Geheimdiensten. Es können aber auch persönliche Eigenarten bei Schreiben erkannt werden, etwa von Erpressernachrichten.

Die beiden ersten großen KI-Anwendungen in der Kriminalistik waren Handydaten und die Verbrechensvorhersage. Aus den Hunderttausenden von Handyverbindungen und „Gesprächsknoten“ wird sichtbar, wer mit wem wann, wo und wie lange in Kontakt stand. Diese selbst mir anfangs wie Science-Fiction erscheinende Technik wurde allerdings schon im Comic vorhergesagt: Batman, der ja auch Verbrechensjäger ist, führte solche Massendatenauswertungen von Handys als erster durch.

Die zweite Anwendung, also die Vorhersage von möglichen Verbrechen, stammt aus der klassischen Science-Fiction-Literatur, der Geschichte ‚Minority Report‘ von Philip K. Dick aus den 1950er Jahren. Mittlerweile versuchen einige Kolleginnen und Kollegen, die Häufigkeit und Wahrscheinlichkeit vorwiegend von Einbrüchen in gewissen Gegenden oder zu bestimmten Zeiten zu berechnen. Beides — Handy-Massendaten und „Pre Crime“ — klappt allerdings auch ohne echte Künstliche Intelligenz, dafür reichen Gehirn- und Muskelschmalz und viel Rechnerleistung. Ob diese Verfahren eingesetzt werden oder nicht, ist eine soziale und kulturelle Frage.

Was sind die Gefahren von Künstlicher Intelligenz?

Wie bei jeder Datensammlung und -auswertung: Die Gefahren liegen darin, dass die Informationen ungefragt zusammengeführt werden und so ein allzu genaues Bild über persönliche Gewohnheiten geben. Das hat das Bundesverfassungsgericht schon 1983 im Volkszählungsurteil gut dargelegt: Menschen sollen im Kern selbst entscheiden, was über sie bekannt wird und was nicht.

Book Review: 'Who They Were' by Bob Shaler (NYC OCME / WTC DNA) 🌇

This is very valuable book because it tells the inside view straight from the point of laboratory organization and management as well as techniques used after 9/11 in Manhattan. It will disappoint readers who want to know about life stories of single victims of the WTC attack; that is not the topic of the book.

Bob Shaler was very much driven to identify the victims as far as possible in-house and to coordinate as much as possible himself. The Office of Chief Medical Examiner was (and is) under direct command of the Mayor's Office, so it was bound to City of New York and during the WTC times many other policies. (Often, Institutes for Legal aka Forensic Medicine belong to universities, are academic institutions and are therefore run a bit differently.) Our* lab was massively expanding under Bob Shaler, at the end of the 1990s, we were around 50 scientists there. When 9/11 happened, the number of scientists had doubled. Sexual crime had become a focus of attention under then mayor Rudy Giuliani, so many "sexual assault kits" came in, containing underwear, swabs, hair and more, mostly taken from the victims. Shootings and knife wounds were less common compared what some people think because guns and knifes were already strictly banned at that point in the city. (For example, I was scolded twice by Bob Shaler for having a small swiss army knife in my pocket and had to remove it.)

In the middle of this lab expansion, the sexual crime stains pouring in and the urge to speed up case turnover time in the lab, as well as the police bringing in lots and lots of material which they thought might be useful for stain analysis — anything containing a stain which was a lot in blood stain cases, e.g., phone books, sneakers etc. —, the first World Trade Center Tower fell. 

The head of OCME, forensic pathologist Charles Hirsch as well as colleague Ristenbatt from the DNA department immediatly went downtown (which is not too far from the office) and got cought in the fall of the second tower: No more connection to them. This is one of the moments in the book where Shaler mentions that everyone was shocked but does not mention that both survived (until much later in the book). 

Shaler also mentions that he became "less happy" as a person over the course of the events, and that much later, bone fragments were found that came from the persons in the airplanes that crashed into the towers. I mention this as a warning that even though everyone was deeply affected by the events, the book is not emotional. If you wish to read an emotional account, this is not your book.

Instead, Shaler gives a very precise timeline of which laboratories he asked for help and who in the laboratory became responsible for which part of the DNA work. He mentions all the names of persons involved, and it sounds a bit like a historical writing to me — so that the facts will not disappear in time and space.

The determination he put into the WTC work is most obvious to me when the number of identifications went down and — in my opinion — very minor misidentifications took place. Shaler then set up a grid and tried the impossible: To match the three-dimensional structure including every single person who had still been in the building to the comparably two-dimensional, collapsed rubble into which the mostly very small body parts were mixed after the towers fell. I would have thought such calculations to be unfeasible — but he did it. I find the results amazing; they are in the book.

If you come from the field of forensic biology, you will not mind the numerous abbreviations that Shaler uses and that are common use in our field like SNP, STR, KADAP, OCME, DM, MDKAP, WTC CODIS, MFISys. All is explained, of course, but for a reader from a different field, you may wish to consult the glossray and the index at the end of the book. What I find very cool is the 'Cast of Characters', also at the end of the book. It is a honorable move to include many of the scientists and organizational staff that took part in the identification process.

After reading Bob's book, I understand the many decisions that had to be made in-house concerning the involvement of others. One of the software programmers for example, a mathematician, was quite a character and Shaler had to decide which parts of the statistical work (to connect stain to stain to anything the relatives of missing persons delivered, e.g. toothbrushes) to give him. 

Same for Craig Venter, then an absolutlely famous person for decoding the human genome after speeding the 'race for the human genome' to the max. He offered Shaler close to unlimited help which sounded possible and nice on the one hand. On the other hand, Venters experience was not forensics, and his company later decided (Shaler ponders) that unpaid or hardly paid work for a good cause might damage their revenue. 

Also, I now realize how difficult it is to communicate all to everone who needs information in a mass disaster situation (and probably also during day-to-day work in a large lab). 

Some stories are not told, of course, and since there may be a reason for this, I will leave it like that. 

Shaler's book is unusual since it is a popular science book that avoids tearful comments wherever possible and focuses on procedures, processes, genetic fingerprinting, agencies and persons involved. There are brief exceptions, though, mostly relating to the contact with the victim's families. The relatives had high hopes to science and identification even though they were often facing total destruction or decomposition of the body parts: "Their grief was exhausting, and while I tried to remain detached and not watch, it was impossible." 

What Shaler does not write is that the whole area around the office was literally plastered with self-made posters of missing persons, and that many people where standing in front of the Bellevue hospital entrance next to the OCME — quietly, looking for a glimpse of information, not walking away.  

More than once, Shaler mentions that probably god pushed him into the direction of his — this — job. For Bob, it was the most important task of his life. He also mentions that for younger scientists in the lab, it might be difficult to work on the most important case of their lives at the beginning of their careers because afterwards, work might be less intense. From my experience, this matters not because at the end of the day, a case is a case, and all cases should be treated equally. Probably his statements are proof to the shell shock that WTC caused to so many (including me). 

After the World Trade Center DNA investigation was closed, Bob Shaler resigned at the OCME. He then set up a forensic program at Penn State University. In 2010, he retired from forensic work.   

* I worked in the forensic biology (i.e., DNA) department of the NCY OCME  from 1997 to 1999. Bob Shaler was my direct boss; Mecki Prinz from the OCME DNA lab was my first forensic boss in Germany. Briefly after the WTC fell, I went to Manhattan, talked to my colleagues and wrote a popular science article about their DNA efforts → https://home.benecke.com/publications/nicht-sachen-sondern-menschen


The Batman, Riddler, Catwoman & Pinguin

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Source: J Forensic Sci (2001) 46(5): 1250–3.

Miranda JJ, Benecke M, Hidding M, Schmitt C

The article as .pdf

Population: Male population sample (n = 106) from the Metro Manila area (largest urban center in the Philippines).

Keywords: forensic science, forensic DNA typing, short tandem repeat (STR), Y chromosome, genetic fingerprint, Philippines

Whole blood samples were obtained from 106 unrelated male individuals living in Metro Manila, Philippines, through the Department of Health, Manila. DNA was extracted by isopropanol fractionation-sodium iodide precipitation (4) and quantified by spectrophotometry. Nine Y-chromosomal short tandem repeats (STR’s) were analyzed from a population sample of 106 unrelated males by means of a quadruplex PCR (DYS393, DYS19, DYS392, DYS385-I/II) and a triplex PCR (DYS390, DYS389-I/II, and DYS391).

Primers were Cy5-labeled, and based on sequences described by Kayser et al. (1). PCR products were separated on ReproGel™ High Resolution polyacrylamide gels, and laser-detected by an ALFexpress sequencer (Amersham Pharmacia Biotech). Allelic ladders, and nomenclature were standardized against allelic ladders from P. de Knijff (Leiden), L. Roewer (Berlin), J. Edelmann (Leipzig), and P. Schneider (Mainz).

Discrimination capacity for the nine-loci system was 83%. Gene diversity was calculated following Kayser et al. (3). Frequencies of the individual alleles are shown in Table 2. Haplotype data (88 distinct haplotypes, 75 of which were unique) are given in Table 1. Gene diversity values ranged between 0.37 for DYS91 and 0.94 for DYS385, which is similar to frequences reported elsewhere (2,3).

Acknowledgments

The authors wish to acknowledge the assistance of Rubigilda Paraguison and Edith Tria in the collection and preparation of the samples. Dr. Miranda was supported by a fellowship of the Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD, German Academic Exchange Service), Federal Republic of Germany.

References

1. Kayser M, Caglia A, Corach D, Fretwell N, Gehrig C, Graziosi G, et al. Evaluation of the Y-chromosomal STRs: a multicenter study. Int J Legal Med 1997;110:125–33.

2. Pestoni C, Cal ML, Lareu MV, Rodriguez-Calvo, Carracedo A. Y chromosome STR haplotypes: genetic and sequencing data of the Galician population (NW Spain). Int J Legal Med 1998;112:15–21.

3. Rossi E, Rolf B, Schürenkamp M, Brinkmann B. Y-chromosome STR haplotypes in an Italian population sample. Int J Legal Med 1998;112: 78–81.

4. Wang L, Hirayasu K, Ishizawa M, Kobayashi Y. Purification of genomic DNA from human whole blood by isopropanol fractionation with concentrated NaI and SDS. Nucleic Acids Res 1994;22:1774 –5.


Homicide in the Ukraine

Skull & bone fragments


Post mortem damages

by ants 🐜


Insektenbefall am Leichnam

Wissensquelle der Gerichtsmedizin


Alteration of DNA content in strangulation marks

Is an artefact


Forensic DNA Lab

University of the Philippines, Diliman, Manila; Ho Chi Minh City


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