News: Evolution in der Petrischale
Mit dem Wort "Evolution" verbinden wir normalerweise Zeiträume von Jahrmillionen. Doch bei Bakterien lässt sich die Evolution "in Echtzeit" beobachten.
© Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie (Ausschnitt)
Viele positive Aspekte der modernen menschlichen Gesellschaft sind der Ertrag Jahrtausende langer kooperativer Interaktionen zwischen den Mitgliedern unserer Art. Dennoch ist der Ursprung von kooperativen Verhaltensweisen bei sozialen Lebewesen während der Evolution weiterhin eines der faszinierendsten Rätsel der Biologie. Kooperation ist wichtig, da sie den Teilnehmern Vorteile verschafft, die isolierten Individuen nicht zugänglich sind.
Neben sozialen Tieren sind auch viele Arten von Bakterien bekannt, die sich in verschiedenen Situationen kooperativ verhalten, wie zum Beispiel bei der gemeinsamen Herstellung von Substanzen, die die Dichte der Population messen, und von haftenden Polymeren, die es den Mikroorganismen ermöglichen, sich auf Oberflächen zu Biofilmen zusammen zu lagern.
Dabei sind Myxobakterien, zu denen auch Myxococcus xanthus gehört, eine besonders soziale Bakterienart. Diese Zellen arbeiten in großen Gruppen zusammen, um über Oberflächen zu schwärmen und wie ein Rudel Wölfe "Opferorganismen" zu jagen und zu töten. Mehr noch, finden diese Bakterien sehr karge Bedingungen vor, vereinigen sie sich zu Gruppen von bis zu 100 000 Zellen, die dann dreidimensionale Samenstrukturen bilden, in denen sich widerstandsfähige Sporen bilden, die Nahrungsmangel, Austrocknung und Hitze widerstehen können.
Wildtypen von M. xanthus bewegen sich normalerweise gemeinsam mit Hilfe eines Mechanismus, den man die "S-Beweglichkeit" nennt. Diese Form der Bewegung beruht auf faserigen Fortsätzen an der Zelloberfläche, den so genannten Pili, über welche die Zellen miteinander verbunden sind.
Daneben können sich die Zellen auch durch die "A-Beweglichkeit", bei der sie Schleim absondern, individuell fortbewegen. Doch die Bakterien lassen sich recht einfach dazu bringen, sich sozial zu bewegen, indem man sie auf einem weichen Nährboden kultiviert, auf dem nur noch die S-Beweglichkeit eine effektive Fortbewegung ermöglicht.
Gregory Velicer und Yuen-tsu Yu vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen fragten sich nun, ob M. xanthus auf weichem Agar auch dann sozial schwärmen könnten, wenn ihnen die Pili-Fortsätze fehlen, die für das normale soziale Schwärmen der S-Beweglichkeit absolut notwendig sind. Dazu entfernten die Forscher ein Gen aus dem Bakteriengenom, das für den strukturellen Hauptbestandteil der Pili codiert. Die auf diese Weise entstandene nicht-soziale Mutante war unfähig, sich auf weichem Nährboden fortzubewegen.
Diese Mutante vermehrten die beiden Forscher, um so weitere Stämme zu erhalten. Die neuen Stämme ließen die Wissenschaftler evolvieren, wobei sie Zellen in die Mitte einer weichen Agarplatte impften und alle zwei Wochen ein kleiner Abschnitt vom äußeren Rand des wachsenden Stammes auf eine frische Platte übertrugen. Nach vielen Wochen Kultivierung begannen zwei der neuen Stämme mit beinahe derselben Geschwindigkeit wie normale Wildtyp-Stämme nach außen zu schwärmen.
Doch die Schwärmmuster der neuen Stämme unterschieden sich deutlich von denen mit normaler S-Beweglichkeit. Die Forscher vermuteten daher, dass die Bakterien sich mit einem neuen Mechanismus fortbewegten. Tatsächlich konnten Velicer und Yu nachweisen, dass diese Stämme nicht etwa die Fähigkeit wiedergewonnen hatten, Pili zu bilden und sich folglich über die S-Beweglichkeit fortzubewegen.
Vielmehr stellte sich heraus, dass die Antriebskraft für das Schwärmen von der A-Beweglichkeit kommt – dem normalen Motor der individuellen Bewegung -, die offenbar durch eine zusätzliche soziale Komponente verstärkt wurde: Die Bakterien-Stämme hatten die Fähigkeit entwickelt, größere Mengen einer haftenden polymeren Substanz zu bilden, die ihre Zellen viel stärker zusammenhaften ließ als bei ihren nicht-sozialen Vorfahren. Diese interzelluläre Substanz besteht aus Strängen von Kohlenhydrat-Fribrillen und Proteinen und ist eine der Hauptgründe für die Fähigkeit des neu entstandenen Stammes zu schwärmen. Hemmten die Forscher genetisch oder chemisch die Bildung dieser Fibrillen, wurde das Schwärmen dieser Bakterien erheblich gestört.
Dann erzeugten die Wissenschaftler durch Mutation Variationen dieser Stämme, die auch keine Fibrillen mehr bilden konnten und somit schwarmunfähig waren. Hierbei stellten sie fest, dass die schwarm-defekten Mutanten durch die bloße Anwesenheit ihrer Fibrillen produzierenden Verwandten "gerettet" werden können: Wurden Fibrillen-unfähige Mutanten allein auf einer Platte kultiviert, schwärmten sie sehr schlecht. Wurden sie jedoch als Minderheit mit ihren klebenden, Fibrillen produzierenden Verwandten vermischt, schwärmten sie viel weiter – dank der Anwesenheit des Fibrillengrundstoff, der von ihren intakten Verwandten gebildet wurde.
Die in diesen Tests entstandene Schwarmfähigkeit war kooperativ, denn sie hing davon ab, wie viel Fibrillenmaterial von individuellen Zellen in den gemeinsamen Bereich zwischen den Zellen abgegeben wird. Genauso wie Organisationen in der menschlichen Gesellschaft nicht mehr funktionieren können, wenn zu wenige Leute ihren Teil dazu beitragen, können Gruppen von M. xanthus nicht mehr schwärmen, wenn zu viele Zellen in der Gruppe sind, die keine klebende Fibrillen beisteuern.
Für viele Mikroben einschließlich gefährlicher Krankheitserreger ist die soziale Interaktion mit anderen Mitgliedern der gleichen Spezies wichtig für ihren evolutionären Erfolg, ihr Überleben. Weiterführende Forschungsarbeiten, etwa wie sich die Zusammenarbeit innerhalb solcher Miniaturgesellschaften entwickelt, sollte nach Ansicht der Forscher sowohl Licht auf bisher ungelöste Fragen werfen als auch zur Bekämpfung von sozial agierenden Krankheitserregern beitragen.
Neben sozialen Tieren sind auch viele Arten von Bakterien bekannt, die sich in verschiedenen Situationen kooperativ verhalten, wie zum Beispiel bei der gemeinsamen Herstellung von Substanzen, die die Dichte der Population messen, und von haftenden Polymeren, die es den Mikroorganismen ermöglichen, sich auf Oberflächen zu Biofilmen zusammen zu lagern.
Dabei sind Myxobakterien, zu denen auch Myxococcus xanthus gehört, eine besonders soziale Bakterienart. Diese Zellen arbeiten in großen Gruppen zusammen, um über Oberflächen zu schwärmen und wie ein Rudel Wölfe "Opferorganismen" zu jagen und zu töten. Mehr noch, finden diese Bakterien sehr karge Bedingungen vor, vereinigen sie sich zu Gruppen von bis zu 100 000 Zellen, die dann dreidimensionale Samenstrukturen bilden, in denen sich widerstandsfähige Sporen bilden, die Nahrungsmangel, Austrocknung und Hitze widerstehen können.
Wildtypen von M. xanthus bewegen sich normalerweise gemeinsam mit Hilfe eines Mechanismus, den man die "S-Beweglichkeit" nennt. Diese Form der Bewegung beruht auf faserigen Fortsätzen an der Zelloberfläche, den so genannten Pili, über welche die Zellen miteinander verbunden sind.
Daneben können sich die Zellen auch durch die "A-Beweglichkeit", bei der sie Schleim absondern, individuell fortbewegen. Doch die Bakterien lassen sich recht einfach dazu bringen, sich sozial zu bewegen, indem man sie auf einem weichen Nährboden kultiviert, auf dem nur noch die S-Beweglichkeit eine effektive Fortbewegung ermöglicht.
Gregory Velicer und Yuen-tsu Yu vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen fragten sich nun, ob M. xanthus auf weichem Agar auch dann sozial schwärmen könnten, wenn ihnen die Pili-Fortsätze fehlen, die für das normale soziale Schwärmen der S-Beweglichkeit absolut notwendig sind. Dazu entfernten die Forscher ein Gen aus dem Bakteriengenom, das für den strukturellen Hauptbestandteil der Pili codiert. Die auf diese Weise entstandene nicht-soziale Mutante war unfähig, sich auf weichem Nährboden fortzubewegen.
Diese Mutante vermehrten die beiden Forscher, um so weitere Stämme zu erhalten. Die neuen Stämme ließen die Wissenschaftler evolvieren, wobei sie Zellen in die Mitte einer weichen Agarplatte impften und alle zwei Wochen ein kleiner Abschnitt vom äußeren Rand des wachsenden Stammes auf eine frische Platte übertrugen. Nach vielen Wochen Kultivierung begannen zwei der neuen Stämme mit beinahe derselben Geschwindigkeit wie normale Wildtyp-Stämme nach außen zu schwärmen.
Doch die Schwärmmuster der neuen Stämme unterschieden sich deutlich von denen mit normaler S-Beweglichkeit. Die Forscher vermuteten daher, dass die Bakterien sich mit einem neuen Mechanismus fortbewegten. Tatsächlich konnten Velicer und Yu nachweisen, dass diese Stämme nicht etwa die Fähigkeit wiedergewonnen hatten, Pili zu bilden und sich folglich über die S-Beweglichkeit fortzubewegen.
Vielmehr stellte sich heraus, dass die Antriebskraft für das Schwärmen von der A-Beweglichkeit kommt – dem normalen Motor der individuellen Bewegung -, die offenbar durch eine zusätzliche soziale Komponente verstärkt wurde: Die Bakterien-Stämme hatten die Fähigkeit entwickelt, größere Mengen einer haftenden polymeren Substanz zu bilden, die ihre Zellen viel stärker zusammenhaften ließ als bei ihren nicht-sozialen Vorfahren. Diese interzelluläre Substanz besteht aus Strängen von Kohlenhydrat-Fribrillen und Proteinen und ist eine der Hauptgründe für die Fähigkeit des neu entstandenen Stammes zu schwärmen. Hemmten die Forscher genetisch oder chemisch die Bildung dieser Fibrillen, wurde das Schwärmen dieser Bakterien erheblich gestört.
Dann erzeugten die Wissenschaftler durch Mutation Variationen dieser Stämme, die auch keine Fibrillen mehr bilden konnten und somit schwarmunfähig waren. Hierbei stellten sie fest, dass die schwarm-defekten Mutanten durch die bloße Anwesenheit ihrer Fibrillen produzierenden Verwandten "gerettet" werden können: Wurden Fibrillen-unfähige Mutanten allein auf einer Platte kultiviert, schwärmten sie sehr schlecht. Wurden sie jedoch als Minderheit mit ihren klebenden, Fibrillen produzierenden Verwandten vermischt, schwärmten sie viel weiter – dank der Anwesenheit des Fibrillengrundstoff, der von ihren intakten Verwandten gebildet wurde.
Die in diesen Tests entstandene Schwarmfähigkeit war kooperativ, denn sie hing davon ab, wie viel Fibrillenmaterial von individuellen Zellen in den gemeinsamen Bereich zwischen den Zellen abgegeben wird. Genauso wie Organisationen in der menschlichen Gesellschaft nicht mehr funktionieren können, wenn zu wenige Leute ihren Teil dazu beitragen, können Gruppen von M. xanthus nicht mehr schwärmen, wenn zu viele Zellen in der Gruppe sind, die keine klebende Fibrillen beisteuern.
Für viele Mikroben einschließlich gefährlicher Krankheitserreger ist die soziale Interaktion mit anderen Mitgliedern der gleichen Spezies wichtig für ihren evolutionären Erfolg, ihr Überleben. Weiterführende Forschungsarbeiten, etwa wie sich die Zusammenarbeit innerhalb solcher Miniaturgesellschaften entwickelt, sollte nach Ansicht der Forscher sowohl Licht auf bisher ungelöste Fragen werfen als auch zur Bekämpfung von sozial agierenden Krankheitserregern beitragen.
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Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine vorwiegend von Bund und Ländern finanzierte Einrichtung der Grundlagenforschung. Sie betreibt rund achtzig Max-Planck-Institute.
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