Anpassungsfähigkeit von Bakterien Gentausch für bessere Fitness?

Bakterien tauschen untereinander Genmaterial aus. Inwieweit sie dadurch besser an wechselnde Umweltbedingungen angepasst sind, haben Forscher der Uni Köln in einem Evolutionsexperiment untersucht.

Köln – Wenn Bakterien sich vermehren, sparen sie sich den Sex und teilen sich einfach. So werden aus einem Ursprungsbakterium zwei identische Klone. Dass sich die Mikroben trotz dieses Copy-Paste-Mechanismus genetisch an die Umwelt anpassen können, liegt an ihrer Fähigkeit, Genmaterial untereinander zu tauschen – sogar artenübergreifend. Dabei werden genetische Informationen eben nicht von einem Vorfahren an den Nachkommen vererbt, sondern zwischen bereits existierenden Organismen ausgetauscht. Doch hilft dieser so genannte horizontale Gentransfer den Bakterien tatsächlich dabei, ihre Überlebenschancen zu verbessern? Das hat eine Gruppe von Forschern vom Institut für Biologische Physik der Uni Köln in einer Studie mit einem Evolutionsexperiment untersucht.

Fitnesstest in der Petrischale

Die Forscher generierten mittels horizontalem Gentransfers eine Vielzahl von Hybriden zwischen dem „Heubazillus“ Bacillus subtilis und verwandten Bacillus-Arten. Dann bestimmten sie die Fitness der Bakterien. Die Fitness beschreibt, wie schnell sich ein Hybrid im Vergleich zum unveränderten Bakterium, dem so genannten Elternstamm, vermehrt. Schnelles Wachstum bedeutet, dass eine Bakterienart eine andere verdrängen und so die Dominanz der eigenen Nachfahren erreichen kann.

Um die Anpassungsfähigkeit der Zellen zu testen, bestimmten die Forscher die Fitness der Hybride unter verschiedenen Umweltbedingungen wie erhöhter Temperatur oder unterschiedlichen Nahrungsquellen. „Wir erhielten so zu jeder Bedingung eine andere Verteilung von Fitness-Effekten“, sagt Isabel Rathmann, eine der Erstautorinnen der Studie. „Die wichtige Frage war nun, ob wir daraus vorhersagen konnten, ob horizontaler Gentransfer unter einer bestimmten Umweltbedingung die Anpassungsfähigkeit erhöht.“

So sah das erste Bakterium aus

Der Urahn aller Bakterien

450 Generationen später…

Um diese Vorhersagen zu testen, entwarfen die Wissenschaftler ein Evolutionsexperiment, das in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Professor Tobias Bollenbach im Hochdurchsatzverfahren umgesetzt wurde. In diesem Experiment wurden Populationen von unterschiedlichen Hybriden erzeugt, die unter verschiedenen Wachstumsbedingungen miteinander um Nährstoffe konkurrierten. Der Einsatz eines Hochdurchsatzsystems ermöglichte es, hunderte solcher Populationen über 450 Bakteriengeneration zu beobachten. Erste Ergebnisse wiesen darauf hin, dass mittels der Verteilung von Fitness-Effekten tatsächlich Vorhersagen über die Fitnesseffekte des Gentransfers gemacht werden können.

„Wir fanden heraus, dass es unter den meisten Wachstumsbedingungen einige Hybride gab, die besser angepasst waren als der Elternstamm“, sagt Mona Förster, eine weitere Erstautorin der Studie „Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass ein geteilter genetischer Wissensschatz Bakterien helfen könnte, sich an bestimmte Umweltbedingungen anzupassen. Es gibt jedoch auch Bedingungen, unter denen Gentransfer keinen Vorteil bringt.“ In Zukunft wird es laut den Forschern interessant sein, mit der von ihnen entwickelten Methode gezielt vorherzusagen, wann horizontaler Gentransfer die bakterielle Anpassung beschleunigt.

Originalpublikation: Rathmann, I., Förster, M., Yüksel, M. et al.: Distribution of fitness effects of cross-species transformation reveals potential for fast adaptive evolution, ISME J (2022); DOI: 10.1038/s41396-022-01325-5

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