Bakterienevolution durch Gendiebstahl

Veröffentlichung in Nature

16.10.2014 – Urbakterien, so genannte Archaeen, haben sich maßgeblich durch „Gendiebstahl“ entwickelt. Biologen, Informatiker und Mathematiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben zusammen mit internationalen Kollegen herausgefunden, dass der sogenannte horizontale Gentransfer in der Evolution dieser Organismen eine mindestens ebenso wichtige Rolle spielt wie die „klassisch-darwinistische“ Evolution über punktuelle Mutationen. Die Ergebnisse stellen die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature vor.

Archaeen und Bakterien sind sehr freigiebig: Sie geben ihre Erbinformationen gerne in die Umwelt ab. Gleichzeitig saugen sie bedenkenlos auf, was ihnen an Genmaterial in den Weg kommt. Einmal aufgesammeltes Genmaterial wird in den eigenen Genpool übernommen und, sofern die natürliche Selektion es erlaubt, an die Nachkommen weitergegeben. Solches Verhalten wird als horizontaler Gentransfer oder kurz HGT bezeichnet.

Ein internationales Forscherteam aus Düsseldorf, Duisburg, Kiel, Neuseeland und Irland konnte nun zeigen, dass der HGT bei den frühen Formen des Lebens maßgeblich für ihre evolutionäre Entwicklung war. Während die Evolution höherer Organismen – bis hin zum Menschen – sich über punktuelle Mutationen und damit verbundene graduelle Veränderungen abspielt, führt der HGT bei Archaeen zu wahren Entwicklungssprüngen. Die Archaeen nehmen dabei ganze Genpakete auf, mit denen sie massive Verbesserungen erreichen. So erschließen sie sich zum Beispiel auf einen Schlag neue ökologische Nischen oder neue Fähigkeiten, um sich zu ernähren. Viele dieser Genpakete übernehmen Archaeen dabei von ihren modernen Verwandten, den Bakterien.

Die Forscher um den Bioinformatiker Dr. Shijulal Nelson-Sathi und den Evolutionsbiologen Prof. Dr. William Martin vom Institut für Molekulare Evolution der Heinrich-Heine-Universität haben die genetische Evolutionsgeschichte der Archaeen untersucht. Sie verglichen dabei die Erbsubstanz der Archaeen mit denen anderer Lebensformen. Dabei haben sie den Düsseldorfer Hochleistungsrechencluster HILBERT – der besonders für Fragestellungen aus den Lebenswissenschaften ausgelegt ist –, monatelang an seine Kapazitätsgrenzen gefahren. Ihr überraschendes Ergebnis: Ein signifikanter Anteil des Erbguts nahmen Archaeen von außen auf und entwickelte sich nicht als Produkt der graduellen Evolution der eigenen Gene. Einen wichtigen Anteil an der Arbeit hatte Prof. Dr. Arnold Janssen vom Düsseldorfer Lehrstuhl für Mathematische Statistik und Wahrscheinlichkeitstheorie. Mit seinem Testverfahren konnte man entscheiden, ob sich zwei Gruppen von Stammbäumen signifikant voneinander unterscheiden. Dies ist von großer Bedeutung, um den Verlauf der Aufnahme fremden Genmaterials zu beurteilen.

Evolutionstheoretisch haben diese Ergebnisse eine besondere Bedeutung, zeigen sie doch auf, dass nicht bei allen Lebewesen die darwinistische Sicht der Evolution allein maßgebend ist. Bei den höheren Lebewesen – vom Weichtier bis zum Menschen – herrscht der langsame, graduelle Evolutionspfad vor, der in Darwins Evolutionstheorie beschrieben wird. Zumindest bei den Prokaryoten – Zellen ohne Zellkern, zu denen Bakterien und Archaeen gehören – spielt der HGT eine erhebliche Rolle und erlaubt ihnen qualitative Evolutionssprünge.

Nur dadurch können sich etwa Antibiotikaresistenzen schnell zwischen verschiedenen Bakterien ausbreiten. „Somit ist uns in bestimmten Kontexten der HGT näher, als wir es gerne hätten“, so Prof. Martin, „gerade in Krankenhäusern.“

Originalpublikation

Shijulal Nelson-Sathi, et. al., „Origins of major archaeal clades correspond to gene acquisitions from bacteria”, Nature Vol. 514 Issue 7522, 16. Oktober 2014

Online:

DOI: 10.1038/nature13805
(http://dx.doi.org/10.1038/nature13805)

Kontakt

Prof. Dr. William F. Martin
Institut für Mole
kulare Evolution
Tel.: 0211/81-13011
E-Mail: w.martin@hhu.de

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Tel.:   49 211 81-10896
Fax:   49 211 81-15279
arne.claussen@hhu.de
www.hhu.de

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