Kölner Studie zeigt, dass der Austausch von Genen funktionelle Änderungen bei Bakterien sehr schnell vorantreibt / Veröffentlichung in PNAS
BBakterien integrieren leichter genetisches Bakterien integrieren leichter genetisches Material anderer Stämme als bisher gedacht
In einem parallelen Evolutionsexperiment wurde in dieser Studie der lateraler Gentransfer zwischen zwei Bacillus subtilis-Stämmen nahe der Artgrenze untersucht. Die Laborevolution durch horizontalen Gentransfer erzeugte schnell hybride Organismen mit weitreichenden genomischen und funktionellen Veränderungen. Durch die Kombination von Genomik, Transkriptomik, Fitness-Assays und statistischer Modellierung wurden die selektiven Effekte, die dem Gentransfer zugrunde liegen, kartiert. Es wird gezeigt, dass der Transfer unter genomweiter positiver und negativer Selektion stattfindet und eine Netto-Fitnesssteigerung in den Hybriden erzeugt wird. Die evolutionäre Dynamik navigiert effizient durch diese Fitness-Landschaft und findet gangbare Wege mit zunehmendem Anteil an übertragenen Genen.
Im Experiment brachte das Team einen Bakterienstamm in Kontakt mit DNA-Fragmenten eines anderen Stammes. Bei der Aufnahme fremden genetischen Materials spricht man von horizontalem Gentransfer – im Gegensatz zu vertikalem Gentransfer, der die Weitervererbung an die folgende Generation innerhalb einer Art bezeichnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laborevolution durch horizontalen Gentransfer sehr schnell hybride Organismen verschiedener Stämme mit weitreichenden genomischen und funktionellen Veränderungen hervorbringen kann.
Bei der Aufnahme fremden genetischen Materials spricht man von horizontalem Gentransfer – im Gegensatz zu vertikalem Gentransfer, der die Weitervererbung an die folgende Generation innerhalb einer Art bezeichnet. Horizontaler Gentransfer ist ein wichtiger Faktor in der bakteriellen Evolution, der über Artgrenzen hinweg wirken kann.
„Das ist in etwa mit Sex zwischen modernen Menschen und Neandertalern vergleichbar“, so Dr. Fernanda Pinheiro vom Institut für Biologische Physik der Uni Köln und Autorin der Studie. Die Bakterien integrierten bereitwillig fremde DNA an vielen Stellen des Genoms. Unter 200 Generationen konnte das Forschungsteam den Austausch von bis zu 14 Prozent der Kerngene des Bakteriums beobachten.
Horizontaler Gentransfer ist ein wichtiger Faktor in der bakteriellen Evolution, der über Artgrenzen hinweg wirken kann. „Dennoch wissen wir bisher nur wenig über die Geschwindigkeit des stammesübergreifenden Gentransfers und seine Verteilung über das Genom. Auch über die Auswirkungen auf die Physiologie und Fitness des Empfängerorganismus ist bisher wenig bekannt.“ Aus wissenschaftlicher Sicht werfen hybride Kreaturen, deren Eltern verschiedenen Arten angehören, grundlegende evolutionsbiologische Fragen auf: Welche Kombinationen von Merkmalen ergeben lebensfähige Organismen? Was sind die Grenzen evolutionärer Prozesse, wenn mehr als eine Art an der Reproduktion beteiligt ist? „Unsere Studie kann hier einen wichtigen Beitrag leisten“, fügt Pinheiro hinzu.
Ist der Austausch von Genen zufällig oder folgt die Dynamik bestimmten Mustern? Wie die Studie zeigt, werden einige funktionelle Einheiten des fremden Genoms wiederholt importiert und die entstandenen hybriden Bakterien erhalten dadurch eine höhere Wachstumsrate. „Das heißt, der Genaustausch über Stammesgrenzen hinweg treibt die bakterielle Evolution besonders effektiv voran“, sagt Pinheiro. Die Integration fremden Genoms durch horizontalen Gentransfer erzeugt neue Kombinationen von Genen und bewahrt dennoch die wesentlichen Strukturen, die eine Zelle lebensfähig machen. Damit eröffnet die Studie neue Perspektiven für zukünftige Arbeiten: die Kombination von Transfer-Evolutionsexperimenten und Methoden der synthetischen Biologie, um funktionelle Innovationen zu entwickeln.
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Journal-Referenz:
Jeffrey J. Power, Fernanda Pinheiro, Simone Pompei, Viera Kovacova, Melih Yüksel, Isabel Rathmann, Mona Förster, Michael Lässig, Berenike Maier. Adaptive evolution of hybrid bacteria by horizontal gene transfer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (10): e2007873118 DOI: 10.1073/pnas.2007873118 (Closed Source)
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