Stoffwechsel-Innovation in der Evolutionsgeschichte von E. coli entstand durch eine einzige Genübertragung

Bioinformatik: Veröffentlichung in PNAS

19.12.2018 – Das Bakterium E. coli weist zwischen verschiedenen Stämmen eine große genetische Bandbreite auf, die durch Gentransfer mittels Viren zustande kommt. Die Bioinformatiker Dr. Tin Yau Pang und Prof. Dr. Martin Lercher von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) identifizierten anhand spezifischer Stoffwechselgene die Umgebungen, in denen verschiedene E. coli-Varianten und ihre Vorfahren leben können. In der aktuellen Ausgabe von PNAS berichten sie, wie sie daraus über 3.000 Stoffwechsel-Innovationen abgelesen haben. Jede einzelne Innovation kam durch die Übertragung eines einzigen, kleinen Genomabschnitts von einem anderen E. coli-Stamm zustande.

Bakterien passen sich häufig neuen Umgebungen an, indem sie Gene von anderen Bakterienstämmen kopieren. Dieser Vorgang wird auch als horizontaler Gentransfer bezeichnet, der häufig durch Viren ausgelöst wird. Ein Paradebeispiel ist das Bakterium Escherichia coli (kurz E. coli), welches gewöhnlich im Darm von Säugetieren lebt, aus dem aber auch immer wieder gefährliche Krankheitserreger entstehen. Verschiedene Stämme von E. coli unterscheiden sich oftmals stark in ihrer genetischen Ausstattung.

In einer früheren Studie in der Fachzeitschrift Scientific Reports haben Dr. Tin Yau Pang und Prof. Dr. Martin Lercher vom Institut für computergestützte Zellbiologie der HHU die Genome von 53 E. coli-Stämmen miteinander verglichen und daraus die Genome ihrer Vorfahren rekonstruiert. Nun haben die beiden Forscher auf dieser Grundlage das Stoffwechselnetzwerk dieser Vorfahren rekonstruiert. Dazu haben sie zunächst eine „Übersetzungstabelle“ erstellt, die den von ähnlichen Genen kodierten Eiweißen ähnliche Aufgaben im Stoffwechsel zuweist. Durch Vergleich dieser Tabelle mit den Genen in den rekonstruierten Genomen konnten sie aufschlüsseln, welche enzymatischen oder Transport-Reaktionen in den einzelnen Stämmen stattfinden konnten. Die daraus resultierenden Stoffwechselmodelle geben Aufschluss darüber, in welchen Umgebungen die spezifischen Bakterien leben konnten und von welchen Stoffen sie sich ernährten.

Aus dieser Betrachtung ergab sich, dass in über 3.000 Fällen ein Bakterienstamm in einer Umgebung überleben konnte, die für dessen unmittelbaren Vorfahren noch lebensfeindlich gewesen wäre oder die dessen Wachstum zumindest stark eingeschränkt hätte. „Die große Überraschung unser Studie war, dass für diese Stoffwechselinnovation, also die Anpassung an eine neue Umgebung, lediglich ein einzelner, kurzer Abschnitt des Genoms durch einen Transfer verändert werden musste“, so Prof. Lercher. „In keinem Fall waren mehrere unabhängige Transfers nötig: Bei einem Generalisten wie E. coli werden große Wirkungen stets mit kleinen Änderungen erzielt.“

Die Ergebnisse zeigen, warum E. coli so enorm anpassungsfähig ist, was sich immer dann zeigt, wenn aus dem eigentlich harmlosen Darmbakterium durch eine kleine Veränderung in seinem Erbgut ein Krankheitserreger entsteht.

Originalpublikation

Tin Yau Pang & Martin J. Lercher, Each of 3,323 metabolic innovations in the evolution of E. coli arose through the horizontal transfer of a single DNA segment, PNAS (2018).

DOI 10.1073/pnas.1718997115

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Presse und 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

Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist seit 1965 die Universität der Nordrhein-Westfälischen Landeshauptstadt. Die HHU begreift sich als Bürgeruniversität, die ihr Wissen kontinuierlich mit der Gesellschaft im Großraum Düsseldorf teilt. Ihre Verankerung in Wirtschaft, Kultur und Gesellschaft ist ebenso profilgebend wie ihre Ausrichtung als interdisziplinär agierende deutsche Volluniversität.

An ihrer Medizinischen, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen, Philosophischen, Wirtschaftswissenschaftlichen und Juristischen Fakultät studieren rund 35.000 Studierende. Im Fokus der Forschung stehen traditionell die Lebenswissenschaften, ergänzt unter anderem durch Schwerpunkte wie Wettbewerbsforschung, Internet und Demokratie, Algebra und Geometrie sowie Sprache – Wissen – Kognition. 2018 wurde der seit 2012 bestehende HHU-Exzellenzcluster CEPLAS, der die künftige Welternährung durch Nutzpflanzen erforscht, im Rahmen der „Exzellenzstrategie“ von Bund und Ländern bestätigt.

Mehr zur HHU im Internet unter www.hhu.de.

Tags:

Über uns

Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist seit 1965 die Universität der Nordrhein-Westfälischen Landeshauptstadt. Die HHU begreift sich als Bürgeruniversität, die ihr Wissen kontinuierlich mit der Gesellschaft im Großraum Düsseldorf teilt. Ihre Verankerung in Wirtschaft, Kultur und Gesellschaft ist ebenso profilgebend wie ihre Ausrichtung als interdisziplinär agierende deutsche Volluniversität. An ihrer Medizinischen, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen, Philosophischen, Wirtschaftswissenschaftlichen und Juristischen Fakultät studieren rund 35.000 Studierende. Im Fokus der Forschung stehen traditionell die Lebenswissenschaften, ergänzt unter anderem durch Schwerpunkte wie Wettbewerbsforschung, Internet und Demokratie, Algebra und Geometrie sowie Sprache – Wissen – Kognition. 2018 wurde der seit 2012 bestehende HHU-Exzellenzcluster CEPLAS, der die künftige Welternährung durch Nutzpflanzen erforscht, im Rahmen der „Exzellenzstrategie“ von Bund und Ländern bestätigt. Mehr zur HHU im Internet unter www.hhu.de.

Abonnieren

Medien

Medien