Ein Modell zur Vorhersage der Evolution

Wissenschaftler sagen Häufigkeit und Ort von Mutationen voraus, mit denen sich ein Bakterium an neue Umweltbedingungen anpasst

Evolutionäre Anpassungen an neue Umweltbedingungen beruhen auf Veränderungen im Erbgut. Verschiedene Mutationen können dabei zur gleichen Anpassung führen. Welche Gene genau sich verändern, lässt sich deshalb bislang nicht vorhersagen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön untersuchen im Labor die Evolution des Bakteriums Pseudomonas fluorescens in Echtzeit. Paul Rainey und sein Team haben ein Modell entwickelt, mit dem sich Häufigkeit oder Ort einer Mutation berechnen lassen. Ein Vergleich mit den tatsächlich im Labor entstandenen Mutationen zeigt, dass die Forscher mit dem Modell erfolgreiche Vorhersagen darüber treffen können, welche Wege die Evolution des Bakteriums einschlagen wird. Solche Vorhersagen könnten in der Zukunft wichtig für die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen oder die Entstehung von Krebszellen sein.

Unter Sauerstoffmangel bildet das Bakterium Pseudomonas fluorescens typische faltige Kolonien.

Damit Wissenschaftler vorhersagen können, wie die Evolution eines Organismus ablaufen wird, müssen sie die Mutationen im Erbgut kennen, die für eine Anpassung erforderlich sind. Dies erschien lange völlig aussichtslos:  Zu komplex schienen die Organismen und ihr Zusammenspiel mit der Umgebung. Viele Forscher vermuteten daher, dass sich der Lauf der Evolution nicht vorhersagen lässt. Allerdings bringt die Evolution immer wieder die gleichen Veränderungen hervor. Sie scheint sich also doch an gewisse Regeln zu halten.

Die Wissenschaftler aus Plön und Uppsala in Schweden haben untersucht, welche Regeln das sind und ob sie damit Anpassungen und die zugrundeliegenden Veränderungen der Gene vorhersagen können. Mithilfe des Bakteriums Pseudomonas fluorescens können sie die Evolution in Echtzeit unter Laborbedingungen erforschen. Die Bakterien passen sich an Sauerstoffmangel an, indem sie faltige Kolonien bilden. Die Forscher kennen die drei genetischen Netzwerke für diese Anpassung, in denen am häufigsten Mutationen auftreten. Auf diese Weise können die Forscher entschlüsseln, wie sich das Bakterium anpassen kann.

Modell prognostiziert Mutationen

Paul Rainey und seine Kollegen haben eine Methode entwickelt, mit der sie die Signalwege in einer Bakterienzelle am Computer nachstellen können. Auf diese Weise können sie vorhersagen, wie oft die Evolution eines der drei Netzwerke nutzt und welche Gene dabei mutieren. Um das Modell zu überprüfen, haben sie die vorhergesagten Mutationen mit tatsächlich im Labor entstandenen Mutationen verglichen. Die Forscher haben herausgefunden, dass die Mutationen nicht gleichmäßig über das Erbgut auftreten, sondern sich an manchen Stellen häufen. Mithilfe dieser Mutations-„Hotspots“ kann das Modell genauer vorhersagen, welche Bakterien-Gene mutieren. Die Wissenschaftler haben dadurch sogar neue Mutanten gefunden, die so selten sind, dass sie in den realen Bakterien im Labor bislang noch nicht beobachtet worden sind.  

Mit dem Modell können die Wissenschaftler die Evolution von Pseudomonas fluorescens bis zu einem gewissen Umfang vorhersagen. Es demonstriert aber auch die Schwierigkeiten, auf die im Moment die Vorhersagbarkeit der Evolution stößt: Für verlässliche Vorhersagen müssen die Forscher nicht nur die genetischen Netzwerke für eine Anpassung und deren Mutations-Hotspots kennen, sondern auch die Auswirkungen der Mutationen auf die Fitness des Organismus. Besonders die Vorhersage des „Fitness-Effekts“ ist jedoch noch nicht ohne Experimente möglich. „Die evolutionäre Vorhersage steckt noch in den Kinderschuhen“, erklärt Rainey. „Es ist aber sehr wahrscheinlich, dass in Zukunft unser Modell auf andere Organismen übertragen werden kann.“ Wissenschaftler könnten dann evolutionäre Prozesse vorhersagen, die Antibiotikaresistenzen, Infektionskrankheiten oder sogar Krebs zugrunde liegen.

MN/HR

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