Bakterien erwarten das Unerwartete

Wissenschaftler beobachten, wie eine neue Anpassungsstrategie an sich rasch ändernde Umweltbedingungen entsteht

5. November 2009

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. 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. (Nature, 5. November 2009)

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Eine Generation bringt genetisch identische Nachkommen hervor, die sich jedoch im Grad ihrer Anpassung an die jeweilige Umwelt unterscheiden. Indem sozusagen zukünftige, drastische Änderungen der Umweltbedingungen erwartet werden, haben einige Varianten eine erhöhte Überlebenschance, wenn dieser Fall eintritt. Dadurch wird der Fortbestand der Art als Ganzes gewährleistet

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, Evolution sozusagen im Reagenzglas zu beobachten. 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."

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