MPG-official form - Max Planck Institute for Chemical Ecology

2. Dezember 2013
Nr.12/2013 (117)
Arbeitsteilung im Reagenzglas
Bakterien wachsen schneller, wenn sie sich gegenseitig Nährstoffe zur Verfügung
stellen
Arbeitsteilung ist effektiver als sich ohne fremde Hilfe durchs Leben zu kämpfen – das
gilt auch für Kleinstlebewesen. Dies hat die Forschungsgruppe Experimentelle Ökologie
und Evolution vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie, Jena, zusammen mit
Kollegen der Friedrich-Schiller-Universität mit auf Mikroben basierenden
Modellversuchen herausgefunden. Die Wissenschaftler experimentierten mit Bakterien,
die wegen des Ausfalls der Produktion einer bestimmten Aminosäure auf einen Partner
angewiesen waren, der ihnen den fehlenden Nährstoff zur Verfügung stellte. Stämme,
die sich bei der Biosynthese jeweils einer Aminosäure wechselseitig ergänzten, zeigten
eine rund 20%ige Steigerung ihrer Fitness verglichen mit einem Stamm, der zwar ohne
fremde Hilfe auskam, dafür aber ohne Partner lebte. Dieses Ergebnis erklärt, warum
Kooperation als Erfolgsmodell in der Natur so weit verbreitet ist. (The ISME Journal, 28.
November 2013, DOI: 10.1038/ismej.2013.211)
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Direktor
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Forschungskoordination
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Presse
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Anschrift
Beutenberg Campus
Hans-Knöll-Straße 8
07745 Jena
Internet
www.ice.mpg.de
Arbeitsteilende Bakterien (linke Kolonie) wachsen schneller als autarke Zellen
(rechte Kolonie), die alle Aminosäuren selbst herstellen können.
Foto: Samay Pande, Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Ökologie und Evolution: Nahe Verwandte
Jede Lebensform auf unserem Planeten muss sich an ihre Umweltbedingungen optimal
anpassen. Neben Klimabedingungen und Nahrungsangebot gehören dazu
insbesondere auch andere Lebewesen, die an einem Standort vorkommen − mit diesen
gilt es, auszukommen. Im Laufe der Evolution passen sich die Arten kontinuierlich an
ihre jeweiligen Umweltbedingungen an, wodurch sich auch ihre individuelle GenAusstattung entsprechend ändert. So entstanden an den Polen kälteresistente und in
den
Wüsten
hitzeresistente
Arten.
Auch
Stoffwechselregulation
und
Nahrungsverwertung unterliegen der Evolution − hier lohnt sich ein Blick in die Welt der
Mikroben.
Mikrobielle Lebensgemeinschaften
„Egal, wo man hinschaut: Überall gibt es mikrobielle Lebensgemeinschaften, die an ein
und demselben Standort miteinander leben“, so Christian Kost, Leiter der
Forschungsgruppe „Experimentelle Ökologie und Evolution“ am Max-Planck-Institut für
chemische Ökologie. Mikroben leben oft in Symbiose mit höheren Organismen, aber
auch untereinander kooperieren sie, um die Ressourcen eines Standortes optimal
auszunutzen. Der Blick in die Genome kooperierender Bakterienarten zeigt
interessanterweise, dass viele von Ihnen gar nicht mehr in der Lage sind, sämtliche
lebensnotwendigen Stoffwechselfunktionen für sich allein zu erfüllen. Stattdessen
verlassen sich diese auf ihre jeweiligen Partner. Hierbei stellt die Umwelt, also andere
Lebewesen, Nährstoffe zur Verfügung, die sie nicht mehr selbst produzieren können.
Dies bedeutet aber eine riskante Abhängigkeit: Geht ein Partner verloren, stirbt auch
der andere. Können solche Zweckgemeinschaften tatsächlich ein Merkmal sein, das
„positiv selektiert“, also in einer Population von Mikroorganismen über längere Zeit
erhalten bleibt? Passt diese Annahme zu Darwins Theorie des Survival of the fittest?
Wenn ja, dann müsste die Fitness der kooperierenden Partner mindestens genauso
gut, wenn nicht sogar besser sein als die von Mikroben, die ohne Partner auskommen
müssen.
Synthetische Ökologie: Nachstellen ökologischer Parameter im Reagenzglas
Eine natürlich entstandene Lebensgemeinschaft aus der Natur ins Labor zu holen, um
dort solche Kooperationen zu studieren, ist oft äußerst schwierig. Die in der Natur
vorherrschenden Umweltbedingungen können im Labor oft nur zum Teil nachgestellt
werden. Die Wissenschaftler bedienten sich daher eines synthetischen Modells:
Bakterien der Art Escherichia coli wurden genetisch derart verändert, dass ein Stamm
eine bestimmte Aminosäure, beispielsweise Tryptophan, nicht mehr selbst herstellen
konnte, zusätzlich aber alle anderen Aminosäuren in hoher Konzentration produzierte.
Wächst dieser Stamm nun gemeinsam mit einem anderen Stamm, der beispielsweise
Arginin nicht mehr selbst produzieren kann, können sich die beiden gegenseitig
ernähren. Erstaunlicherweise zeigte sich bei solchen Ko-Kulturexperimenten, dass sich
die Teilungsrate dieser Zellen um rund 20% steigerte, verglichen mit dem
ursprünglichen, genetisch unveränderten Stamm, der alle Aminosäuren selbst
produzieren konnte. Der Mangel, eine essenzielle Aminosäure nicht mehr selbst
herstellen zu könnten, wirkte sich also bei Anwesenheit eines kooperierenden Partners
positiv auf deren Wachstum aus. Erklärt werden kann dies mit dem weit geringeren
Energieaufwand, den beide Einzelstämme in die Produktion der ausgetauschten
Aminosäuren investieren müssen. Durch eine Spezialisierung auf die Produktion
bestimmter, aber eben nicht aller notwendigen Aminosäuren wurden die Bakterienzellen
effektiver und konnten dadurch schneller wachsen.
Interessanterweise konnten sich zwei kooperierende, Aminosäure-austauschenden
Stämme selbst gegen einen autark wachsenden Wildtyp-Stamm durchsetzen, der
offenbar nicht von der Kooperation der beiden Partner profitierte.
Die Ergebnisse der Forschergruppe um Christian Kost verdeutlichen, warum
Symbiosen mit Bakterien so weit verbreitet sind. Im Laufe der Evolution verbinden sich
die beteiligten Partner dabei oft so eng miteinander, dass sie zu einem neuen,
vielzelligen Organismus verschmelzen.
Das Forschungsprojekt wurde gefördert von der Volkswagen Stiftung, der Jena School
for Microbial Communication, der Fundação Calouste Gulbenkian und der Fundação
para a Ciência e a Tecnologia sowie der Siemens SA Portugal. [JWK/AO]
Originalveröffentlichung:
Pande, S., Merker, H., Bohl, K., Reichelt, M., Schuster, S., de Figueiredo, L., Kaleta, C.,
Kost, C. (2013). Fitness and stability of obligate cross-feeding interactions that emerge
upon gene loss in bacteria. The ISME Journal. Advance online publication 28 November
2013; doi: 10.1038/ismej.2013.211
http://dx.doi.org/10.1038/ismej.2013.211
Weitere Informationen von
Dr. Christian Kost, +49 3641 57-1212, [email protected]
Kontakt und Bildanfragen
Angela Overmeyer M.A., MPI für chemische Ökologie, Hans-Knöll-Str. 8, 07743 Jena,
+49 3641 57-2110, [email protected]
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