Bakterien können untereinander Genmaterial austauschen – auch artenübergreifend. Dabei werden genetische Informationen nicht von einem Vorfahren an den Nachkommen vererbt, sondern zwischen bereits existierenden Organismen ausgetauscht. Durch systematische Charakterisierung der Fitness-Effekte dieses sogenannten horizontalen Gentransfers lässt sich vorhersagen, ob Gentransfer die Anpassung an bestimmte Wachstumsbedingungen beschleunigt. Das fand eine Gruppe von Forscher*innen vom Institut für Biologische Physik heraus. Die Gruppe generierte eine Reihe von Hybriden zwischen dem Bakterium Bacillus subtilis und verwandten Bakterienarten durch horizontalen Gentransfer. Anschließend testeten sie die Bakterien auf ihre Anpassungsfähigkeit gegenüber Umweltfaktoren wie Temperatur und Nahrungsangebot. Im Artikel „Distribution of fitness effects of cross-species transformation reveals potential for fast adaptive evolution“ in The ISME Journal beschreiben die Forscher*innen ihre Erkenntnisse.
Eine einzelne Bakterienart verfügt nur über ein relativ kleines Genom und pflanzt sich zudem nur durch Kopieren der eigenen genetischen Information fort. Somit ist ihre Anpassungsfähigkeit begrenzt. In Gemeinschaft mit anderen Arten können Bakterien jedoch Genmaterial ihrer Nachbarn aufnehmen und in ihr eigenes Genom einbauen. Diesen Prozess nennt man horizontalen Gentransfer.
Können Bakterien jedoch tatsächlich ihre Überlebenschancen verbessern, indem sie genetisches Material anderer Spezies aufnehmen? Und unter welchen Bedingungen bringt dies einen Vorteil? Diesen Fragen sind nun Forscher*innen der Universität zu Köln um Professorin Berenike Maier am Institut für Biologische Physik nachgegangen. In ihrer Publikation im ISME Journal zeigen sie in einem Evolutionsexperiment, dass Bakterien unter bestimmten Wachstumsbedingungen von fremdem Genmaterial profitieren.
Hierzu generierten die Forscher*innen mittels horizontalem Gentransfers eine Vielzahl von Hybriden zwischen dem „Heubazillus“ Bacillus subtilis und verwandten Bacillus-Arten und bestimmten deren Fitness. Die Fitness beschreibt, wie schnell sich ein Hybrid im Vergleich zum unveränderten Bakterium, dem sogenannten 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*innen 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. Die wichtige Frage war nun, ob wir daraus vorhersagen konnten, ob horizontaler Gentransfer unter einer bestimmten Umweltbedingung die Anpassungsfähigkeit erhöht“, sagt Isabel Rathmann, eine der Erstautorinnen der Studie.
Um diese Vorhersagen zu testen, entwarfen die Wissenschaftler*innen 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. 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“, sagt Mona Förster, eine der Erstautorinnen der Studie. In Zukunft wird es interessant sein, mit der hier entwickelten Methode gezielt vorherzusagen, wann horizontaler Gentransfer die bakterielle Anpassung beschleunigt.
Das Projekt ist Teil des Sonderforschungsbereichs 1310, der sich mit der Vorhersagbarkeit der Evolution befasst. Im Rahmen dieses Forschungsverbunds werden die Forscher*innen weiter das Ziel verfolgen, Vorhersagen über die Kosten und Nutzen des horizontalen Gentransfers von Bakterien zu treffen.
Universität Köln
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.org/10.1038/s41396-022-01325-5
