Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Experimente mit Bakterien: Evolution im Labor

11.09.2017

Experimente mit Bakterien zeigen, dass Gene miteinander fusionieren und so neue Proteine hervorbringen können

Lebewesen müssen sich fortwährend an ihre Umgebung anpassen, um darin zu bestehen. Verantwortlich für solche Anpassungen sind Änderungen im Erbgut. Paul Rainey vom Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön hat zusammen mit Kollegen aus Neuseeland in Laborexperimenten die Entstehung neuer, besser angepasster Zelltypen untersucht.


Links: Glatte Bakterienkolonien (Mitte) im Zellinneren wachsen innerhalb des Kulturmediums (unten). Rechts: Faltige Kolonien (Mitte) bilden Matten an der Oberfläche der Kulturflüssigkeit (unten).

MPI f. Evolutionsbiologie/ P. Rainey

Dabei haben die Forscher entdeckt, dass Bakterien neue Eigenschaften unter anderem durch die Fusion zweier Gene hervorbringen können. In manchen der Zellen sind Gene dadurch unter die Kontrolle eines neuen Promotors gelangt, so dass größere Mengen eines Proteins gebildet werden. In einem anderen Fall haben sich zwei benachbarte Gene miteinander vereinigt.

Das aus Anteilen der beiden ursprünglichen Gene zusammengesetzte Protein besitzt einen anderen Bestimmungsort innerhalb der Zellen – ein Effekt, der auch aus anderen Organismen wie dem Menschen bekannt ist. Die Folge einer solchen Genfusion sind Bakterienzellen, die besser an ihre Umgebung angepasst sind.

Änderungen im genetischen Code bestehender Gene – sogenannte Mutationen – können einen Organismus mit neuen Eigenschaften ausstatten. Auch die Verdopplung von Genen oder der Einbau zusätzlicher DNA-Abschnitte können seine Anpassungsfähigkeit erhöhen.

Gene können im Lauf der Evolution sogar komplett neu entstehen. Zuvor funktionslose Abschnitte des Erbguts werden dabei so verändert, dass sie die Vorlage für Proteine liefern. Ein weiterer bereits bekannter Mechanismus ist die Fusion zweier Gene, aus der dann ein neues Protein hervorgehen kann.

„Dieses Wissen beruht auf Erbgutvergleichen verschiedener Organismen. Da die Evolution meist sehr langsam arbeitet, lassen sich solche Veränderungen im Erbgut in der Regel nicht in Echtzeit beobachten – geschweige denn, wie sie das Überleben seines Trägers beeinflussen“, sagt Paul Rainey vom Max Planck Institut für Evolutionsbiologie.

Der Forscher konzentriert sich deshalb auf Bakterien. Diese vermehren sich nicht nur außerordentlich schnell, sie lassen sich auch auf kleinem Raum in riesiger Zahl im Labor züchten. Die dabei entstehenden Veränderungen im Erbgut können Forscher dann untersuchen und der Evolution so förmlich bei der Arbeit zusehen.

Rainey untersucht, wie das Bakterium Pseudomonas fluorescens neue Eigenschaften hervorbringt, mit denen es in den Kulturschalen seines Forschungslabors am besten überleben kann. Ursprünglich wachsen die Bakterien in flüssigem Kulturmedium. Mit der Zeit brauchen sie den darin enthaltenen Sauerstoff auf und bereiten so den Boden für eine neue Variante. Diese bilden Bakterienmatten an der Oberfläche, so dass sie Sauerstoff aus der Luft aufnehmen können. Diese Zellen lassen sich leicht an dem faltigen Aussehen ihrer Kolonien erkennen.

Auslöser der Mattenbildung sind Rainey und seinen Kollegen zufolge verschiedene Mutationen in Genen, die die Aktivität von Di-Guanylatzyklase-Enzymen hemmen. Diese Mutationen schalten Hemmstoffe aus, so dass die Di-Guanylatzyklasen aktiv werden können. Aber als die Forscher die hemmenden Signalwege unterbanden, stießen sie auf bislang unbekannte Mutationen, die die Bildung von Bakterienmatten ermöglichten. In einigen dieser Fälle ist das Di-Guanylatzyklase-Gen unter die Kontrolle eines anderen Promotors gelangt und wurde dadurch vermehrt produziert.

In manchen der neuen Bakterienzellen blieb die Aktivität des Gens jedoch unverändert. Eine Analyse der Mutationen in diesen Zellen ergab, dass diese Mutanten ein „chimäres“ Gen besitzen, das aus dem Di-Guanylatzyklase-Gen und einem benachbarten Gen zusammengesetzt ist.

Letzteres ist sonst in der Zellmembran aktiv. „Es muss also zu einer Fusion zweier Gene gekommen sein, deren Proteine sonst an unterschiedlichen Orten in der Zelle vorkommen“, erklärt Rainey. Das neue Protein besitzt eine Membrandomäne und ist damit in der Zellmembran verankert. Dadurch wird es aktiv.

Auch in anderen Organismen wechseln Proteine, die aus Genfusionen hervorgegangen sind, häufig ihren Bestimmungsort. So ist beim Menschen das sogenannte Kua-UEV-Gen das Resultat einer Fusion des Kua- und des UEV-Gens.

Das neue UEV-Protein kann sich nun an Membrane innerhalb der Zelle anlagern und neue Aufgaben übernehmen. Beim Menschen enthalten 64 Prozent der Gen-Familien für Mitochondrien-Proteine ein Gen für ein Protein, das anderswo in der Zelle aktiv ist. „Obwohl Fusionen von Genen in unseren Experimenten nur rund 0,1 Prozent der Fälle ausmachten, in denen Mutationen zu dem faltigen Zelltyp führten, könnten Fusionen in der Natur deutlich häufiger auftreten“, sagt Rainey.

Originalveröffentlichung:
Adaptive evolution by spontaneous domain fusion and protein relocalization
Andrew D. Farr , Philippe Remigi and Paul B. Rainey
Nature Ecology & Evolution, August 28, 2017

Kontakt:
Prof. Paul B. Rainey
MPI f. Evolutionsbiologie
Email: rainey@evolbio.mpg.de

Dr. Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Aus-Schalter für Nebenwirkungen
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Ein Fall von „Kiss and Tell“: Chromosomales Kissing wird fassbarer
22.06.2018 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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