Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Abhängigkeit kann ein evolutionärer Vorteil sein

07.11.2016

An ihre Umwelt angepasste und von anderen abhängige Bakterien wachsen besser: Es ist eine weitverbreitete Annahme, dass es für Lebewesen vorteilhaft ist möglichst unabhängig von anderen zu sein. Einem Forscherteam des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie ist es nun gelungen experimentell zu zeigen, dass es ganz im Gegenteil für Bakterien sinnvoll sein kann ihre Autonomie zur Herstellung von Stoffen aufzugeben und sich von anderen abhängig zu machen. Dies bedeutet, dass nicht nur der Erwerb neuer Eigenschaften, sondern auch der Verlust von bestimmten Fähigkeiten die evolutionäre Anpassung von Bakterien an die Umwelt – und möglicherweise auch anderen Organismen – vorantreibt.

Es ist schon seit längerem bekannt, dass gentechnisch veränderte Bakterien, die einen bestimmten Stoff nicht mehr selbst herstellen können, diesen jedoch von Quellen in ihrer Umwelt erhalten können, deutlich besser wachsen, als Bakterien, die alles selbst herstellen (siehe Pressemeldung Arbeitsteilung im Reagenzglas vom 2.12.2013). Christian Kost, Leiter der Studie und inzwischen Professor an der Universität Osnabrück, wollte daher wissen, ob auch durch natürliche Selektion der Verlust von Eigenschaften begünstigt wird und Bakterien damit abhängiger von ihrer Umwelt werden.


Folge natürlicher Auslese in Bakterienpopulationen: Ein Teil bleibt unabhängig, während andere Bakterien Fähigkeiten verlieren und von autonomen, Aminosäuren produzierenden Zellen abhängig werden.

Glen D’Souza, Christian Kost / Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Um dieser Frage nachzugehen, kultivierten er und sein Doktorand Glen D’Souza das Darmbakterium Escherichia coli für mehrere Generationen unter optimalen Nährstoffbedingungen. Die Kultur wurde regelmäßig in frische Nährlösung überführt und bei jedem dieser Schritte wurde auch eine Probe genommen, um die Fähigkeiten der Bakterien sowie deren Erbsubstanz zu untersuchen.

Die Ergebnisse bestätigten die Vermutung: Bakterien, die ursprünglich autonom waren, verloren ihre Fähigkeiten zur Herstellung von Stoffen, wie beispielsweise Aminosäuren. Sie wurden damit von ihrer Umwelt abhängig, die mit diesen Nährstoffen angereichert war. „Zu unserer Überraschung fanden wir das gleiche Ergebnis, wenn keine Nährstoffe extern zugegeben wurden“, erläutert Glen D’Souza, Erstautor der Studie. „Die Bakterien teilten sich in zwei Gruppen: Eine Gruppe war nach wie vor autonom, während die andere von diesen autonomen Bakterien abhängig wurde, die die Stoffe noch selbst herstellen konnten.“

Der Verlust von Merkmalen wurde nicht nur bei Bakterien beobachtet, sondern ist auch für andere Gruppen von Lebewesen bekannt. So kann auch der Mensch viele Vitamine nicht selbst herstellen, sondern ist dafür auf seine Nahrung oder vitaminproduzierende Bakterien im Darm angewiesen. Auch viele Krankheitserreger brauchen für ihre Vermehrung Stoffe, die nur ihr Wirt produziert. Bisher war weitgehend unklar, warum Lebewesen in Wechselwirkung mit ihrer Umwelt ihre Selbständigkeit aufgeben und sich damit in eine Abhängigkeit von anderen Organismen begeben. Die Studie zeigt nun, dass der Verlust von Eigenschaften entwicklungsgeschichtlich vorteilhaft sein kann und dadurch die evolutionäre Anpassung vorantreibt.

„Es gab noch weitere Ergebnisse, mit denen wir nicht gerechnet haben. Die Erbsubstanz der abhängigen Bakterien war nicht nur an den Stellen verändert, die direkt an der Herstellung der Aminosäuren beteiligt sind, sondern es waren auch Gene verändert, die solche Stoffwechselprozesse über aktivierende oder hemmende Proteine steuern“, berichtet Christian Kost. Das bedeutet, dass die gleiche Anpassung in der Bakterienpopulation auf unterschiedliche Weise erreicht werden kann. In der Studie fand sich nur eine einseitige Anpassung einer Gruppe von Bakterien, die von einer anderen abhängig wurde. Die Autoren sind sich aber sicher, dass bei einer längeren Versuchsdauer auch gegenseitige und wesentlich komplexere Abhängigkeiten entstanden wären. Das Experiment soll daher noch weiter fortgeführt werden. Natürliche Selektion hängt nicht nur von der genetischen Ausstattung, sondern auch von der Populationsgröße ab. In der Natur schwankt die Größe von Bakteriengemeinschaften sehr stark in Abhängigkeit von deren Lebensstil. Daher möchte das Team herausfinden, wie die Größe von Bakterienpopulationen die Entwicklung von Abhängigkeit und damit die Veränderung ihrer Genome beeinflusst.

Ein schwieriges Problem in der biologischen Forschung ist die Unkultivierbarkeit der allermeisten Bakterienarten. Die Ergebnisse der neuen Studie tragen zu einer Erklärung dieses Phänomens bei: Bakterienpopulationen entwickeln sehr schnell metabolische Abhängigkeiten von ihrer Umgebung, die sich in einer Veränderungen des bakteriellen Genoms manifestieren. Metagenomische Analysen von Umwelt-proben, die die ökologischen Wechselwirkungen mikrobieller Lebens-gemeinschaften in ihrer natürlichen Umgebung einbeziehen, könnten helfen, dieses Problem zu lösen.

Auch in eher anwendungsorientierten Zusammenhängen sind die Forschungs-ergebnisse von Interesse. Bakterielle Lebensgemeinschaften spielen eine wichtige Rolle für die Gesundheit von Menschen, Pflanzen und Tieren. Metabolische Kooperation, also die Frage, wie sich Bakterien am wechselseitigen Stoffaustausch beteiligen, könnte ein wichtiges Kriterium bei der Zusammenstellung solcher Gemeinschaften für eine Anwendung in der Landwirtschaft und auch im Gesundheitswesen sein. Bakterien könnten so ausgewählt werden, dass sie entweder das Wachstum oder die Abwehr gegen Krankheitserreger unterstützen. [KG/AO]

Originalveröffentlichung:
D’Souza, G., Kost, C. (2016). Experimental evolution of metabolic dependency in bacteria. PLOS Genetics. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006364
http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1006364

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Christian Kost, Abteilung Ökologie, Fachbereich Biologie, Universität Osnabrück, Barbarastraße 13, 49076 Osnabrück, Tel: Tel. +49 541 969-2853, E-Mail christiankost@gmail.com

Kontakt und Bildanfragen:
Angela Overmeyer M.A., Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, E-Mail overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/downloads2016.html

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Genetische Vielfalt schützt vor Krankheiten
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

nachricht Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt
22.05.2018 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics