Bakterienevolution im Zeitraffer Innovation liegt in den Genen

Bakterien sind erstaunlich anpassungsfähig und in der Lage, sich innerhalb weniger Jahrzehnte auf veränderte Umwelt- bedingungen und Nahrungsquellen einzustellen. Ein Phänomen, das ein interdisziplinäres Forscherteam jetzt gezielt für Biotechnologie, Medizin oder Landwirtschaft nutzen will.

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LP: Herr Dr. Dohmen, Sie haben in einer Studie den evolutionären Hintergrund der hohen Anpassungsfähigkeit von Bakterien entschlüsselt. Wie sind Sie dabei vorgegangen und was haben Sie herausgefunden?

Dr. Elias Dohmen: Zuerst einmal ist es sehr spannend zu beobachten, dass die Evolution so schnell Innovationen hervorbringen kann, um nicht nur auf Veränderungen zu reagieren, sondern sich diese sogar zunutze zu machen. Wir sprechen im Fall der angesprochenen Studie von einem Pestizid, also einem synthetischen Umweltgift, welches seit weniger als 70 Jahren industriell hergestellt wird. Dieses haben sich Bakterien in der Nähe von Fabriken als Nahrungsquelle erschlossen. Unsere Untersuchung hat ergeben, dass nur fünf Mutationen, d. h. Veränderungen in der Bauanleitung eines Enzyms, ausgehend von einem Vorgänger, hierfür ausschlaggebend waren. Diese Leistung ist umso bemerkenswerter, weil das Pestizid nah verwandt mit Nervengiften ist. Dies zeigt zum Einen die unglaubliche Innovationskraft der Evolution und zum Anderen hilft uns das Verständnis dieser Prozesse, neue Lösungen für Medizin oder Biotechnologie zu entwickeln, wenn wir z. B. über Antibiotikaresistenzen in Bakterien sprechen.

Eine zentrale Rolle nimmt dabei die interdisziplinäre Forschung ein, wenn wie in unserer Studie Methoden der Bioinformatik (z. B. ancestrale Rekonstruktion) mit Methoden der Biotechnologie (z. B. directed evolution) kombiniert werden. Die ancestrale Rekonstruktion beschreibt Algorithmen, mit denen wir zurückrechnen können, wie Vorgänger der heute existierenden Enzyme in der Vergangenheit ausgesehen haben. Hier ist es v. a. beeindruckend zu sehen, dass wir damit nicht nur weit zurückliegende Anpassungen über Millionen von Jahren nachvollziehen können, sondern auch in der Lage sind, extrem schnelle Anpassungen innerhalb weniger Jahrzehnte zu rekonstruieren.

Die am Computer nachgebildeten Vorgänger-Enzyme können später im Labor „wiederbelebt“ und auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden. Insbesondere stellen solche Vorgänger-Enzyme aber oft gute Ausgangspunkte für die „directed evolution“ – also eine „gerichtete Evolution“ dar. Bei diesem Verfahren verändert man z. B. ein Enzym immer wieder durch zufällige Mutationen und testet es hinsichtlich einer bestimmten Funktion. Am Ende lässt sich durch diesen Selektionsprozess ein Enzym erhalten, welches die gewünschte Funktion erstmals oder besonders gut erfüllt.

Für dieses Optimierungs-Verfahren erhielt Frances Arnold 2018 sogar den Nobelpreis für Chemie. Mithilfe solcher Methoden können wir also nachvollziehen, welche Wege die Evolution einschlägt, um bestimmte Innovationen hervorzubringen und uns die zugrundeliegenden Mechanismen selbst zunutze machen.

LP: Für welche Fragestellungen können ancestrale Rekonstruktionen außerdem eingesetzt werden?

Dr. Dohmen: Ancestrale Rekonstruktionen werden meistens eingesetzt, um Struktur und Funktion von einzelnen Enzymen und Proteinen nachzuvollziehen, welche vor Millionen von Jahren in Arten vorkamen, die heute nicht mehr existieren. Die oben erwähnte Studie hat gezeigt, dass dies auch für sehr kurze Zeiträume funktionieren kann und äußerst interessante und nützliche Einblicke liefert. Allerdings kann man die Methode von einem einzelnen Protein auch auf andere Bereiche erweitern und beispielsweise rekonstruieren wie viele Proteine und damit auch welche Stoffwechselwege einer gesamten ursprünglichen Art zur Verfügung standen.

Ich forsche dazu v. a. an so genannten Protein-Domänen, welche man sich wie biologische Lego-Steine vorstellen kann. Aus solchen Bausteinen sind alle uns bekannten Proteine zusammengesetzt. Solche Bausteine lassen sich über sehr lange Zeiträume zurückverfolgen, da sich selbst Menschen und Bakterien noch viele dieser Bausteine teilen.

Mithilfe solcher Daten lassen sich dann Schlussfolgerungen ziehen, zu welchen Zeitpunkten besonders viele und welche Innovationen entstanden sind und welche veränderten Umweltbedingungen diese Anpassungen ausgelöst haben.

LP: Eine weitere Studie der i5k Initiative beschäftigt sich u. a. mit dem Abbau biologischer Abfallstoffe durch Insekten und der Immunität gegenüber Insektiziden. Was genau wurde untersucht, und welchen Einfluss haben Umweltgifte hierbei?

Dr. Dohmen: Die i5k Initiative versucht, 5.000 Arten der Arthropoden, eine Gruppe, zu denen auch die Insekten gehören, zu sequenzieren – d. h. ihr vollständiges Erbgut und somit die Baupläne aller Proteine zu entschlüsseln. Ich habe für diese Studie mithilfe der oben genannten biologischen Bausteine rekonstruiert, wie sich Insekten über einen Zeitraum von 500 Millionen Jahren entwickelt haben. Besonders bei einem so großen Datensatz wie in dieser Pilot-Studie ist, dass wir in der Lage sind, die Gemeinsamkeiten, aber auch artspezifische Unterschiede in großem Maßstab zu entdecken.

Insekten spielen eine wichtige Rolle in der Landwirtschaft – als Bestäuber und als Schädlinge – oder in der Medizin (z. B. als Krankheitsüberträger). Da diese Gruppe im Prinzip alle wichtigen Ökosysteme erobert hat, steht für uns als Forscher nicht nur der Grund für diesen enormen evolutionären Erfolg im Fokus, sondern es geht v. a. darum, ihre Rolle für das ökologische Gleichgewicht auf unserem Planeten zu verstehen.

Die Erkenntnisse der Studie helfen uns zum Einen, über die Gemeinsamkeiten universelle Regeln abzuleiten und mit diesen Vorhersagen zu treffen, wie unsere Handlungen (z. B. Ausbringung von Insektiziden und Umweltgiften) die zukünftige Entwicklung und Verbreitung dieser Arten beeinflussen kann. Zum Anderen eröffnen artspezifische Unterschiede die Möglichkeit, Schädlinge spezifischer zu bekämpfen und somit z. B. unsere Nutzpflanzen zu schützen, ohne Nützlingen zu schaden.

LP: In welchen Anwendungsbereichen lassen sich die Ergebnisse der Studien künftig konkret umsetzen?

Dr. Dohmen: Die Ergebnisse der Studien zeigen großes Potenzial, um neue Lösungen in Biotechnologie, Medizin oder auch Landwirtschaft umzusetzen. In der Biotechnologie helfen uns das Wissen um evolutionäre Anpassungen und Methoden wie ancestrale Rekonstruktion und gerichtete Evolution weiter, unerwünschte Abfall- und Giftstoffe durch neu entwickelte Enzyme oder Bakterien abzubauen oder aber erwünschte Stoffe zu produzieren. In der Medizin sowie in der Landwirtschaft ist das Wissen zur Ausbildung von Resistenzen und Immunitäten und auf welchen Wegen sich diese entwickeln von zentraler Bedeutung. Mithilfe dieses Wissens können wir Resistenzen vorbeugen oder Immunitäten mit neuen Entwicklungen entgegensteuern.

Originalpublikationen:

Yang, G., Anderson, D.W., Baier, F. et al. Higher-order epistasis shapes the fitness landscape of a xenobiotic-degrading enzyme. Nat Chem Biol 15, 1120–1128 (2019). https://doi.org/10.1038/s41589-019-0386-3

Thomas, G.W.C., Dohmen, E., Hughes, D.S.T. et al. Gene content evolution in the arthropods. Genome Biol 21, 15 (2020). https://doi.org/10.1186/s13059-019-1925-7

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