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Faktenwissen

     

Langzeitexperiment mit Bakterien belegt die Entstehung einer komplexen Neuerung

Oder: Wie das Einhorn zu seinem Horn kam 

     

Evolution ist eine gut belegte Tatsache. Sie ist so wohl bestätigt wie die Tatsache der Gebirgsauffaltung oder das Faktum, dass die Erde Kugelgestalt besitzt. Die Frage, wie sich biologische Merkmale bilden, die eine komplizierte Umstrukturierung und Neusortierung bestehender Gene erfordern, ist dagegen oft schwer zu beantworten; schon deshalb, weil die Abläufe meist vor langer Zeit, oft unter unbekannten Rahmenbedingungen, begannen. Zudem erhebt sich die Frage: Wie soll die Evolution ein Merkmalssystem hervorbringen, das erst "als Ganzes" eine Funktion erfüllt? Wenn die Selektion erst wirken kann, wenn alle Komponenten des Systems spezifisch zusammen wirken, ist ein evolutionärer Ursprung dann nicht sehr unwahrscheinlich? Welche Mechanismen können derartiges leisten, und schaffen sie "ihr Werk" allmählich (über Generationen hinweg) oder sprunghaft (in einem einzigen Organismus)?

Zur Klärung dieser Fragen ist es hilfreich, Bakterienpopulationen über lange Zeiträume hinweg zu studieren. Oft treten ganz neue Eigenschaften zutage, wenn sich alte Gene in spezifischer Weise neu sortieren. So belegen die Ergebnisse einer 2008 veröffentlichten Arbeit den Ursprung einer Neuerung, die vor kurzem auf eine Serie komplexer genetischer Veränderungen zurück geführt wurde (BLOUNT et al. 2012). Vier voneinander unabhängige Mutationsereignisse bzw. Bedingungen kamen zusammen, die für sich genommen keinen Selektionsvorteil haben. Das System ist in gewissem Sinn "irreduzibel komplex" (VENEMA 2012); es evolvierte in mehreren Schritten, über Zehntausende von Bakteriengenerationen hinweg.

   

Das Langzeitexperiment von Richard LENSKI: Entstehung eines neuen Phänotyps


Im Jahre 1988 rief ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung des Evolutionsbiologen Richard LENSKI das mittlerweile am längsten andauernde Evolutionsexperiment ins Leben. Studienobjekt war (und ist) das Darmbakterium Escherichia coli. Begonnen wurde mit einer einzigen Zelle, so dass alle Bakterien Nachfahren dieser einen Bakterienzelle sind. E.coli kann sich des Einfachzuckers Glucose als natürlicher Nahrungsquelle bedienen. Mit Citrat (Citronensäure) hingegen weiß der Wildtyp von E. coli nichts als Kohlenstoffquelle anzufangen (der Phänotyp wird deshalb als Cit- bezeichnet). Zwar verstoffwechselt E. coli unter anaeroben Bedingungen (unter Ausschluss von Sauerstoff) gelegentlich auch Citrat. An Luft hingegen kann es aus dieser Verbindung keine Energie gewinnen. Das Fehlen dieser Eigenschaft ist für E. coli derart spezifisch, dass es lange zur Unterscheidung von anderen Bakterienarten herangezogen wurde. 

LENSKIs Kollegen übertrugen nun zwei Klone des Wildtyps in ein Nährmedium, das ein Minimalangebot an Glucose sowie ein Überangebot an nicht als Nahrungsquelle verwertbarem Citrat enthält. (Einer der Klone wies zudem eine "Knock-Out-Mutation" namens Ara- auf, die den Abbau des Zuckers Arabinose ausschaltet.) Aus beiden Klonen entnahmen die Wissenschaftler jeweils 6 Tochterzellen, die in frischem Nährmedium insgesamt 12 voneinander isolierte Starter-Kolonien bildeten. Seit nunmehr fast 25 Jahren werden die Kolonien täglich aufgeteilt, wobei ein Teil der Bakterien in neue Gefäße mit frischem Nährmedium übertragen werden. Etwa alle 500 Generationen werden von den Populationen Bakterienproben entnommen und bei -80°C eingefroren. Auf diese Weise entstand ein einzigartiges Archiv von Ahnenformen – eine Datenbank, die alle wesentlichen Vorfahren der heutigen Bakterienstämme als "lebende Fossilien" konserviert. Die tiefgefrorenen Bakterien haben gegenüber stratigraphisch überlieferten Fossilien den entscheidenden Vorzug, dass sie jederzeit zum Leben erweckt und genetisch untersucht werden können. 

LENSKI und Mitarbeiter ermittelten nun die Wachstumsrate in allen Bakterienpopulationen (relativ zur Ursprungspopulation). Bei konstanter Wachstumsrate dürfte sich der Stoffwechsel von E. coli kaum nennenswert verändert haben, wohingegen ein sprunghafter Anstieg der Vermehrungsrate Mutationen anzeigt, welche die Bakterien dazu befähigen, nicht nur die Glucose, sondern vor allem das im Überschuss vorhandene Citrat zu verstoffwechseln. Nachdem über viele Jahre kaum oder nur wenige Veränderungen in der Wachstumsrate auftraten, erfolgte nach etwa 31.500 Generationen plötzlich der Durchbruch: Im Jahre 2008 berichteten LENSKI und Mitarbeiter, dass sich in einem der zwölf parallelen Abstammungslinien eine Population entwickelte, welche die Fähigkeit erworben hatte, Citrat als Kohlenstoffquelle zu verwenden (Phänotyp Cit+) (BLOUNT et al. 2008). Aktuell haben die Populationen bereits über 50.000 Generationen durchlaufen - und das Experiment dauert weiter an.

   

Der genetische Hintergrund der Cit+-Mutante


Über die Mutationsereignisse, auf welche die neue Fähigkeit von E. coli zurückzuführen ist, war 2008 noch wenig bekannt - bis auf die Tatsache, dass sich im Laufe der Generationen (mindestens) drei Evolutionsschritte ereignet haben müssen (siehe Abb. 1): Nachträgliche Genuntersuchungen aus dem Bakterienarchiv lassen den Schluss zu, dass sich etwa ab der 20.000. Generation eine "ermöglichende" Mutation ereignet hatte, die zunächst nicht adaptiv war, also isoliert betrachtet ihren Besitzern keinen Selektionsvorteil beschert. Gleichwohl setzte sich die Mutation zufällig (durch sog. genetische Drift) in einer der Bakterienpopulationen durch. Sie war die historische Voraussetzung dafür, dass bei den Tochterbakterien eine zweite, "verwirklichende" Mutation ansetzen konnte, welche die Neusortierung (das Rearrangement) von ganz bestimmten Genen ermöglichte. Eine entsprechende Mutation ereignete sich etwa in der 31.500. Generation und trat erstaunlicherweise in verschiedenen, voneinander isolierten Populationen unabhängig auf - freilich nur bei solchen, bei denen sich bereits die "ermöglichende Mutation" ereignet hatte. Diese war allerdings nicht sehr effizient, die Citrat-Verwertung noch ziemlich ineffektiv. Daher war eine Nutzung als einzige Kohlenstoffquelle nicht möglich, die Citrat-Verwertung war noch nicht lebenserhaltend. Erst das dritte Mutationsereignis gestattete es den Bakterien, die Citratverwertung bis auf ein lebenserhaltendes Niveau auszubauen, die Effizienz also zu verstärken.





Abb 1: Entstehung eines neuen Phänotyps: Die ersten E. coli-Bakterien konnten Citrat noch nicht zur Energiegewinnung verwenden (Cit-). Etwa um die 20.000. Generation entwickelten einige Bakterien dann aber diese Fähigkeit (Cit+). Der ursprüngliche Klon hatte sich in verschiedene Linien aufgespalten, wie nachträgliche Genuntersuchungen belegen. Notwendig waren dafür drei Evolutionsschritte: Eine "ermöglichende" Mutation war die Voraussetzung dafür, dass an den Zellen die "verwirklichende" Mutation ansetzen konnte, die wiederum die Neusortierung (das Rearrangement) von ganz bestimmten Genen bzw. deren Verstärkung ermöglichte. Nach HENDRICKSON/RAINEY (2012).


Heute, vier Jahre nach dieser Entdeckung, erhellten genetische Untersuchungen das Wesen jener Mutationen, die der Cit+-Variante von E. coli zum Durchbruch verhalfen (BLOUNT et al. 2012). Zwar herrscht über die Natur des ersten (ermöglichenden) Mutationsereignisses noch Unklarheit. Es könnte sich dabei um eine relativ komplizierte Mutation gehandelt haben. (Eine einfache Punktmutation kommt eher nicht in Betracht, da sich im Lauf der Zeit jede mögliche Punktmutation gleich mehrfach in jeder Population ereignet hatte.) Die beiden anderen Ereignisse jedoch, der "Verwirklichungs-" sowie der Verstärkungsschritt, konnten rekonstruiert werden und erwiesen sich als ziemlich komplex: Ihr Ursprung liegt in einer DNA-Region mit dem Gen citT, das für ein Transportprotein kodiert, welches Citrat in die Zelle schleust. Anfangs lag citT unterhalb des Genorts von citG (einem weiteren für die Citrat-Verwertung erforderlichen Gen) sowie von rnk, einem Gen mit einem ganz anderem Aufgabenbereich. In allen Cit+-Mutanten fand sich nun ein spezifisches Neuarrangement dieser Gene, das citG mit rnk verschmolz. Die Gene fusionierten dabei so, dass das "Ablesen" der Gene citT und citG unter der Kontrolle der Promotorregion von rnk stattfand (Abb. 2). Diese Regulatorsequenz machte es möglich, dass beide cit-Gene nicht nur unter anaeroben Bedingungen, sondern auch in Gegenwart von Luft (aerob) aktiv werden.
 
     



Abb. 2: a.) Räumliches und regulatorisches Arrangement des Genkomplexes (citG, citT, rna, rnk) in den ursprünglichen E. coli-Bakterien. b.) Nach einer "Tandem-Duplikation" liegt der Komplex zweimal hintereinander in der Bakterien-DNA. Der duplizierte Komplex wurde so ins Genom der Cit+-Mutante eingebaut, dass citG und rnk verschmolzen und sowohl citG als auch citT unter der Kontrolle des Regulators rnk exprimiert werden. Grafik aus BLOUNT et al. (2012).


Damit noch nicht genug, denn eine einzige Kopie des umarrangierten Genkomplexes reicht nicht aus, den Cit+-Phänotypen hervorzubringen; hierzu mussten sich die Gene außerdem noch in Tandems von zwei bis neun Kopien aufstellen. Der Evolution ist es somit gelungen, in mehreren Schritten ein sehr geringes Cit+-Potenzial aufzubauen und dieses durch Genduplikation sukzessive auf ein lebenserhaltendes Niveau zu bringen. Und: Alle Zellen, die einmal die "Verwirklichungs"-Mutation geerbt haben (also die Verschmelzung von rnk und citG) und diese Gene dann durch Genduplikation verstärkt haben, zeigen schließlich den Cit+-Phänotypen.

   

Diskussion


Mit der Entdeckung der genetisch-mechanismischen Grundlage von LENSKIs Cit+-Mutanten konnte die Entstehung einer Schlüsselinnovation, eines irreduzibel komplexen Systems, nachgewiesen werden: Im Laufe von Jahrzehnten entwickelte E. coli ein Merkmal, bestehend aus zwei spezifisch miteinander interagierenden Komponenten, die eine neue Grundfunktion (den Citrat-Transport in Gegenwart von Sauerstoff) im System schufen. Bei diesen Komponenten handelt es sich um einen (anaeroben) Citrat-Transporter sowie um eine (aerobe) Promotorregion, die auf passende Weise miteinander verschaltet wurden. Es ist wichtig zu betonen, dass die neue Funktion des Promotors nichts mit der Funktion des Gens zu tun hat, die er ursprünglich exprimierte, und dass der Promotor auch nichts mit der Expression des Citrat-Transporters zu tun hatte. Beide Komponenten sind in jeweils anderen Funktionszusammenhängen evolviert, und wird auch nur eine Komponente des Systems entfernt, fällt die neue Funktion, die den Phänotyp der Cit+-Mutante ausmacht, komplett aus. Damit ist die Bedingung der "irreduziblen Komplexität" erfüllt.

VENEMA (2012) ist der Auffassung, dass die Evolutionsgegner diesen Punkt nicht hinreichend berücksichtigen, viele Kritiker übergehen ihn in ihren Repliken einfach (z.B. WORT UND WISSEN 2012). Meist behaupten sie noch immer, es handele sich um eine relativ einfache Regulations- oder Spezifikationsänderung eines Transportproteins, keinesfalls um eine "gain-of-function-Mutation". Dabei ist es eigentlich müßig, sich darüber zu streiten, ob nun mit der Cit+-Mutante eine evolutive Neuheit entstanden ist oder nicht. Es gibt zwar gute Gründe, die dafür sprechen, dass die Definition der Evolutionsgegner, die Natur evolutiver "Neuheiten" betreffend, problematisch ist und deshalb in der Fachwelt praktisch keinen Widerhall findet. Aber ausschlaggebend ist etwas anderes: die Komplexität, die sich in den mechanismischen Details der evolutionären Veränderung offenbart. Rekapitulieren wir die vier Evolutionsschritte, die erforderlich waren, damit sich der Phänotyp der Cit+-Mutante ausbilden konnte:

1.) Es trat eine vermutlich recht komplizierte (bislang unbekannte) Mutation auf, welche die nachfolgenden Schritte ermöglichte.

2.) Unter mehreren 1000 Genen verschmolzen zwei bestimmte Gene (citG, rnk) passend miteinander.

3.) Die Expression der Gene citG und citT geriet dabei unter die Regulatorkontrolle von rnk.

4.) Der Genkomplex wurde mindestens einmal dupliziert, so dass ein lebenserhaltendes Niveau erreicht wurde

Erst nachdem diese vier Veränderungen zusammen trafen, war eine effektive Citrat-Verwertung möglich und die Selektion konnte greifen. Die Innovation erforderte also gleich mehrere scheinbar aufeinander abgestimmte (konzertierte) genetische Veränderungen, die hinreichend komplex und spezifisch waren, um die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens unter den Voraussetzungen der Evolutionsgegner bereits im Vorfeld beliebig klein zu rechnen. Doch die Cit+-Mutante ist zweifelsohne evolviert! Sie ist, um es mit HENDRICKSON/RAINEY (2012) zu formulieren, ein Schlag ins Gesicht für all jene, die es für unmöglich hielten, dass die Evolution in einer Serie komplexer Ereignisse, in Zehntausenden von Generationen, neue Merkmale hervorzubringen vermag. Gerade auf das Fehlen der Kenntnis mechanismischer Details hatten sich die Gegner der Evolutionstheorie immer wieder berufen und dazu genutzt, die Möglichkeit einer "göttlichen Intervention" zur Diskussion zu stellen. Nun wird diese Strategie offenbar zum Bumerang.

LENSKI hatte sich anfangs bemüht, sachlich auf derlei Einwände namhafter Kritiker zu reagieren; bekannt wurde er allerdings für seine öffentliche Replik im Kampf "Wissenschaft gegen Dogma", in der es heißt: "Wir behaupten nicht, wir hätten ein Einhorn durch unseren Garten huschen sehen – eine ganze Einhornpopulation lebt in meinem Labor!" (LENSKI 2008). Der einzig plausible Schluss, der aus seinen Experimenten gezogen werden kann, ist somit der, dass von praktisch jeder Gensequenz aus in einigen wenigen, mehr oder weniger zufälligen Schritten (random walk) innovative Merkmale, neue "Basisfunktionszustände" erreichbar sind, die dann durch Selektion optimiert werden können. Die entsprechenden Mutationen müssen auch nicht gleichzeitig eintreten. Vielmehr können sich beliebige (mehr oder weniger neutrale) Mutationen im Lauf der Zeit im Genpool aufsummieren, bevor sie eine Wirkung entfalten.

Die Ergebnisse von LENSKIs Langzeitstudie haben noch eine weitere interessante Konsequenz für unser Verständnis von Evolution. Oft neigen wir dazu, das evolutionäre Geschehen auf einfache Regeln oder auf statistische Betrachtungen zu reduzieren. Wie schwierig genetische und phänotypische Veränderungen zu bewerkstelligen sind, hängt aber nicht nur von Statistik, sondern vor allem von der historischen Vorgeschichte und den Gegebenheiten der Genarchitektur ab. So haben LENSKIs Experimente gezeigt, dass diese Cit+-Mutante ohne eine bestimmte genetische Konstellation, die erst durch die "ermöglichende Mutation" geschaffen wird, nicht entstehen kann. Ist die Konstellation erst einmal vorhanden, entwickelt sich die Cit+-Mutante dagegen gleich mehrmals unabhängig (konvergent) in verschiedenen Bakterienstämmen.

Das Auftreten von Konvergenz lässt sich so evolutionstheoretisch gut erklären. Offenbar "kanalisiert" und erleichtert das verwickelte System aus den sich gegenseitig beeinflussenden, regulatorischen Entwicklungsprozessen bestimmte Umbauten des Phänotyps, wohingegen andere Entwicklungen, auch wenn sie scheinbar weniger umfangreich sind, unter den Voraussetzungen der bestehenden Genarchitektur niemals eintreten können. HENDRICKSON/RAINEY (2012) meinen, dies vereitele möglicherweise jeden Versuch, die Natur von "ermöglichenden" Mutationen vorherzusagen. Dies gilt nicht notwendigerweise für die Entwicklungsmöglichkeiten des Phänotyps. Des Weiteren scheint eine These der modernen Evolutionsbiologie mit den Experimenten gestärkt zu werden: Genetische Veränderungen ereignen sich meist graduell (in mehreren Generationen), Phänotypen dagegen können sich innerhalb kurzer Zeit und aufgrund geringer genetischer Ursachen sprunghaft verändern.

   

Literatur


BLOUNT Z.D./BORLAND, C.Z./LENSKI, R.E. (2008) Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 7899-7906.

BLOUNT, Z.D./BARRICK, J.E./DAVIDSON, C.J./LENSKI, R.E. (2012) Genomic analysis of a key innovation in an experimental E. coli population. Nature 489, 513-518.

HENDRICKSON, H./RAINEY, P.B. (2012) How the unicorn got its horn. Nature 489, 504-505.

LENSKI, R.E. (2008) LENSKI affair, 2nd reply. http://rationalwiki.org/wiki/LENSKI_affair

VENEMA, (2012) Behe, LENSKI and the "edge" of evolution, part 4: IC and exaptation. http://biologos.org/blog/behe-LENSKI-and-the-edge-of-evolution-part-4-ic-and-exaptation

WORT UND WISSEN (2012) Von der Citrat-Verwertung zur Entstehung des Auges?
http://www.genesisnet.info/index.php?News=187 

   

Autor: Martin Neukamm

     

          

     

   

                       

           


© AG Evolutionsbiologie des VdBiol.          08.10.2012          Last update: 20.11.2012