Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bakterien erwarten das Unerwartete

05.11.2009
Wissenschaftler beobachten die Entstehung einer neuen Anpassungsstrategie an sich rasch ändernde Umweltbedingungen

Lebewesen sichern das Überleben ihrer Art, indem sie sich genetisch an ihre Umwelt anpassen. Ändern sich die Umweltbedingungen zu schnell, kann dies zum Aussterben einer Art führen. Eine Strategie, solche Herausforderungen zu meistern, ist die Erzeugung verschiedener Nachkommen, die jeweils unter unterschiedlichen Umweltbedingungen überleben können.


Eine Generation bringt genetisch identische Nachkommen hervor, die sich jedoch im Grad ihrer Anpassung an die jeweilige Umwelt unterscheiden. Dadurch erhöht sich für einige dieser Nachkommen die Chance, auch drastische Änderungen der Umweltbedingungen zu überleben. Tritt dieses Ereignis ein, ist der Fortbestand der Art als Ganzes gewährleistet. Hubertus J. E. Beaumont

Ein Teil des Nachwuchses hat dann zwar eine geringere Überlebenschance, das Überleben der Art als Ganzes ist aber gewährleistet. Wissenschaftler haben nun erstmals in einem Experiment mit der Bakterienart Pseudomonas fluorescens die Evolution einer solchen Strategie unter Laborbedingungen beobachtet: Ein Bakterienstamm, der rasch wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt worden war, entwickelte die Fähigkeit, auch ohne zusätzliche Mutationen unterschiedliche Nachkommen hervorzubringen. Diese neue Überlebensstrategie sicherte den Erhalt des Bakterienstammes.

Die Ergebnisse wurden jetzt in NATURE veröffentlicht.

Der Volksmund weiß es schon lange: Sprichwörter wie "nicht alle Eier in einen Korb legen" oder "nicht alles auf eine Karte setzen" raten, Risiken zu verteilen und so zu verringern. Auch in der Biologie sind solche Strategien schon länger bekannt und werden als "bet-hedging" bezeichnet. Im Evolutionsgeschehen stellt bet-hedging nicht die übliche Anpassung an die Umgebung dar, bei der sich die Träger vorteilhafter Mutationen gegen andere Individuen durchsetzen, die diese Mutation nicht aufweisen. Vielmehr handelt es sich um eine Strategie, bei der von einer Generation Nachkommen produziert werden, die zwar genetisch identisch sind, sich aber in ihrer Anpassung an die jeweilige Umwelt unterscheiden: Einige Nachkommen sind an die bestehenden Umweltbedingungen optimal angepasst, während sich andere Nachkommen unter völlig anderen Bedingungen am wohlsten fühlen. Bei einer schnellen und dramatischen Änderung der Umgebung können sie so plötzlich im Vorteil sein und dadurch das Überleben der Art sichern. Der evolutionäre Vorteil dieser bet-hedging-Strategie ist dabei umso größer, je drastischer und unvorhersehbarer sich die Umweltbedingungen ändern. Bakterielle Krankheitserreger besitzen beispielsweise solche Mechanismen zur Risikostreuung: Indem genetisch identische Zellen unterschiedliche Oberflächen ausbilden, entkommen einige der Erreger dem menschlichen Immunsystem. Weitere Beispiele für bet-hedging sind aus dem Tier- und Pflanzenreich bekannt.

Christian Kost vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena hat sich mit diesem Thema beschäftigt. Gefördert durch die Alexander von Humboldt-Stiftung, untersuchte er am "New Zealand Institute for Advanced Study" in Auckland (Neuseeland) Bakterien der Art Pseudomonas fluorescens. Diese Bakterien vermehren sich alle 52 Minuten und sind aufgrund ihrer kurzen Generationszeit besonders dazu geeignet, die Beobachtung von Evolution sozusagen im Reagenzglas zu ermöglichen. Außerdem können neu entstandene Mutationen in der DNA aufgrund ihres relativ kleinen Genoms vergleichsweise leicht gefunden werden.

Aus vorteilhaften Mutationen werden Nachteile

Für ihre Experimente setzten die Wissenschaftler Pseudomonas-Stämme abwechselnd ungeschütteltem oder geschütteltem Nährmedium aus, um so Varianten zu erzeugen, die aufgrund vorteilhafter Mutationen im Erbgut entweder "geschüttelt" oder "ungeschüttelt" einen Vorteil hatten. In beiden Umwelten musste sich also jede durch Mutation neu entstandene Variante gegen alle unmutierten Vertreter des Ausgangsstammes durchsetzen. Unter der Annahme, dass sich eine Variante, die sich äußerlich von ihrem Vorgänger unterschied (zum Beispiel glatte vs. raue Oberfläche), auch gegen diesen durchgesetzt hatte, wurde der jeweils häufigste Vertreter dieser neuen Varianten ausgewählt und der jeweils anderen "Umwelt" ausgesetzt. Eine für das geschüttelte Nährmedium vorteilhafte Mutation wurde dadurch zum Nachteil im ungeschüttelten Medium und umgekehrt. Deshalb mussten neue Mutationen und damit neue Varianten entstehen, die diesen Nachteil wieder kompensierten. Kaum hatten sich die Bakterien also an eine Umgebung angepasst, wurden sie gezwungen, sich erneut umzustellen.

Bet-hedging: ein Genotyp, mehrere Varianten

Durch den ständigen und regelmäßigen Wechsel zwischen geschütteltem und ungeschütteltem Medium entstanden nach kurzer Zeit Typen mit gleicher genetischer Ausstattung (Genotypen), die immer zwei verschiedene Varianten erzeugten. Einmal entstanden, war das also die ultimative Überlebensstrategie für diese bet-hedging-Pseudomonaden, denn alle anderen Genotypen, die ihre Variation immer nur durch neue Mutationen realisieren konnten, hatten keine Chance, sich gegen die bet-hedging-Varianten durchzusetzen.

Eine Genanalyse ergab, dass beide Varianten auf genetischer Ebene absolut identisch waren. Des Weiteren unterschied sich der bet-hedging-Genotyp durch neun Mutationen vom Ursprungsstamm, mit dem das Experiment gestartet worden war. Dabei war ausschließlich die zuletzt aufgetretene Mutation für das bet-hedging verantwortlich. "Unsere Experimente belegen, dass Risikostreuung eine sehr erfolgreiche Anpassung an sich rasch ändernde Umweltbedingungen ist. Denn wenn ein und derselbe Genotyp gleichzeitig mehrere Varianten hervorbringt, kann er schneller auf starke Änderungen der Lebensbedingungen reagieren", sagt Christian Kost. Und Paul Rainey, Leiter der Studie an der Massey University Auckland, ergänzt: "Bet-hedging war möglicherweise eine der ersten Strategien von Organismen, um sich an immer wieder wandelnde Umweltbedingungen auf der Erde anzupassen. Dies lässt sich aus der Leichtigkeit schließen, mit der die Strategie in unseren Experimenten entstand." (JWK/CK)

Originalveröffentlichung:
Hubertus J. E. Beaumont, Jenna Gallie, Christian Kost, Gayle C. Ferguson, Paul B. Rainey: Experimental evolution of bet-hedging. NATURE. DOI: 10.1038/nature08504
Weitere Informationen:
Dr. Christian Kost, MPI für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Straße 8, 07745 Jena, Tel.: 03641 - 571212, ckost@ice.mpg.de

Dr. Jan-Wolfhard Kellmann | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ice.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Nose2Brain – Effizientere Therapie von Multipler Sklerose
26.04.2017 | Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

nachricht Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität
25.04.2017 | Universität Bielefeld

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: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

„Microbiology and Infection“ - deutschlandweit größte Fachkonferenz in Würzburg

25.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal mit neuer Push-in-Leiteranschlussklemme - Kontakte im Handumdrehen

26.04.2017 | HANNOVER MESSE

Plastik – nicht nur Müll

26.04.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Seminar zu Einblicken in die unterschiedlichen Ebenen des 3D-Druckens und wirtschaftlichen Nutzungsmöglichkeiten - 2017

26.04.2017 | Seminare Workshops