Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Arbeitsteilung im Reagenzglas

02.12.2013
Bakterien wachsen schneller, wenn sie sich gegenseitig Nährstoffe zur Verfügung stellen.

Arbeitsteilung ist effektiver als sich ohne fremde Hilfe durchs Leben zu kämpfen – das gilt auch für Kleinstlebewesen.


Arbeitsteilende Bakterien (linke Kolonie) wachsen schneller als autarke Zellen (rechte Kolonie), die alle Aminosäuren selbst herstellen können.

S. Pande / MPI für chemische Ökologie

Dies hat die Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie und Evolution vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena, zusammen mit Kollegen der Friedrich-Schiller-Universität mit auf Mikroben basierenden Modellversuchen herausgefunden.

Die Wissenschaftler experimentierten mit Bakterien, die wegen des Ausfalls der Produktion einer bestimmten Aminosäure auf einen Partner angewiesen waren, der ihnen den fehlenden Nährstoff zur Verfügung stellte. Stämme, die sich bei der Biosynthese jeweils einer Aminosäure wechselseitig ergänzten, zeigten eine rund 20%ige Steigerung ihrer Fitness verglichen mit einem Stamm, der zwar ohne fremde Hilfe auskam, dafür aber ohne Partner lebte. Dieses Ergebnis erklärt, warum Kooperation als Erfolgsmodell in der Natur so weit verbreitet ist. (The ISME Journal, 28. November 2013, DOI: 10.1038/ismej.2013.211)

Ökologie und Evolution: Nahe Verwandte

Jede Lebensform auf unserem Planeten muss sich an ihre Umweltbedingungen optimal anpassen. Neben Klimabedingungen und Nahrungsangebot gehören dazu insbesondere auch andere Lebewesen, die an einem Standort vorkommen − mit diesen gilt es, auszukommen. Im Laufe der Evolution passen sich die Arten kontinuierlich an ihre jeweiligen Umweltbedingungen an, wodurch sich auch ihre individuelle Gen-Ausstattung entsprechend ändert. So entstanden an den Polen kälteresistente und in den Wüsten hitzeresistente Arten. Auch Stoffwechselregulation und Nahrungsverwertung unterliegen der Evolution − hier lohnt sich ein Blick in die Welt der Mikroben.

Mikrobielle Lebensgemeinschaften

„Egal, wo man hinschaut: Überall gibt es mikrobielle Lebensgemeinschaften, die an ein und demselben Standort miteinander leben“, so Christian Kost, Leiter der Forschungsgruppe „Experimentelle Ökologie und Evolution“ am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie. Mikroben leben oft in Symbiose mit höheren Organismen, aber auch untereinander kooperieren sie, um die Ressourcen eines Standortes optimal auszunutzen. Der Blick in die Genome kooperierender Bakterienarten zeigt interessanterweise, dass viele von Ihnen gar nicht mehr in der Lage sind, sämtliche lebensnotwendigen Stoffwechselfunktionen für sich allein zu erfüllen. Stattdessen verlassen sich diese auf ihre jeweiligen Partner. Hierbei stellt die Umwelt, also andere Lebewesen, Nährstoffe zur Verfügung, die sie nicht mehr selbst produzieren können. Dies bedeutet aber eine riskante Abhängigkeit: Geht ein Partner verloren, stirbt auch der andere. Können solche Zweckgemeinschaften tatsächlich ein Merkmal sein, das „positiv selektiert“, also in einer Population von Mikroorganismen über längere Zeit erhalten bleibt? Passt diese Annahme zu Darwins Theorie des Survival of the fittest? Wenn ja, dann müsste die Fitness der kooperierenden Partner mindestens genauso gut, wenn nicht sogar besser sein als die von Mikroben, die ohne Partner auskommen müssen.

Synthetische Ökologie: Nachstellen ökologischer Parameter im Reagenzglas

Eine natürlich entstandene Lebensgemeinschaft aus der Natur ins Labor zu holen, um dort solche Kooperationen zu studieren, ist oft äußerst schwierig. Die in der Natur vorherrschenden Umweltbedingungen können im Labor oft nur zum Teil nachgestellt werden. Die Wissenschaftler bedienten sich daher eines synthetischen Modells: Bakterien der Art Escherichia coli wurden genetisch derart verändert, dass ein Stamm eine bestimmte Aminosäure, beispielsweise Tryptophan, nicht mehr selbst herstellen konnte, zusätzlich aber alle anderen Aminosäuren in hoher Konzentration produzierte. Wächst dieser Stamm nun gemeinsam mit einem anderen Stamm, der beispielsweise Arginin nicht mehr selbst produzieren kann, können sich die beiden gegenseitig ernähren. Erstaunlicherweise zeigte sich bei solchen Ko-Kulturexperimenten, dass sich die Teilungsrate dieser Zellen um rund 20% steigerte, verglichen mit dem ursprünglichen, genetisch unveränderten Stamm, der alle Aminosäuren selbst produzieren konnte. Der Mangel, eine essenzielle Aminosäure nicht mehr selbst herstellen zu könnten, wirkte sich also bei Anwesenheit eines kooperierenden Partners positiv auf deren Wachstum aus. Erklärt werden kann dies mit dem weit geringeren Energieaufwand, den beide Einzelstämme in die Produktion der ausgetauschten Aminosäuren investieren müssen. Durch eine Spezialisierung auf die Produktion bestimmter, aber eben nicht aller notwendigen Aminosäuren wurden die Bakterienzellen effektiver und konnten dadurch schneller wachsen.

Interessanterweise konnten sich zwei kooperierende, Aminosäure-austauschenden Stämme selbst gegen einen autark wachsenden Wildtyp-Stamm durchsetzen, der offenbar nicht von der Kooperation der beiden Partner profitierte.

Die Ergebnisse der Forschergruppe um Christian Kost verdeutlichen, warum Symbiosen mit Bakterien so weit verbreitet sind. Im Laufe der Evolution verbinden sich die beteiligten Partner dabei oft so eng miteinander, dass sie zu einem neuen, vielzelligen Organismus verschmelzen.

Das Forschungsprojekt wurde gefördert von der Volkswagen Stiftung, der Jena School for Microbial Communication, der Fundação Calouste Gulbenkian und der Fundação para a Ciência e a Tecnologia sowie der Siemens SA Portugal. [JWK/AO]

Originalveröffentlichung:
Pande, S., Merker, H., Bohl, K., Reichelt, M., Schuster, S., de Figueiredo, L., Kaleta, C., Kost, C. (2013). Fitness and stability of obligate cross-feeding interactions that emerge upon gene loss in bacteria. The ISME Journal. Advance online publication 28 November 2013; doi: 10.1038/ismej.2013.211

http://dx.doi.org/10.1038/ismej.2013.211

Weitere Informationen von
Dr. Christian Kost, +49 3641 57-1212, ckost@ice.mpg.de
Kontakt und Bildanfragen
Angela Overmeyer M.A., MPI für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena, +49 3641 57-2110, overmeyer@ice.mpg.de

Download von hochaufgelösten Fotos über http://www.ice.mpg.de/ext/735.html

Angela Overmeyer | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ice.mpg.de/ext/1051.html?&L=1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Evolutionsvorteil der Strandschnecke
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Mobile Goldfinger
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit

Antibiotikaresistenz zeigt sich durch Leuchten

28.03.2017 | Biowissenschaften Chemie