Gregory Velicer forscht seit Jahren an dem Verhalten eines Bakteriums, dessen besonderes Merkmal die Sporenbildung ist, bei der in mehreren Phasen Gene aktiviert oder ausgeschaltet werden.
"Wir arbeiten mit dem sozialen Bakterium Myxococcus xanthus. Sozial heißt, dass sich bei Hungersnöten Zehntausende diese Bakterien zu einem großen Fruchtkörper zusammenschließen. Da nur einige der Zellen mit der Zeit Sporen bekommen, verändert sich das Erbgut an bestimmten Stellen innerhalb des Organismus und es kommt zum Kampf darum, welches Erbgut die Sporenbildung bestimmt."
Der Biologe von der Indiana University im amerikanischen Bloomington wollte herausfinden, wie die einzelnen Zellen es schaffen, gemeinsam einen Organismus aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu einem menschlichen Organismus, dessen Zellen alle aus der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle der Eltern stammen, ist die Bakterienkolonie ein bunt gemischter Haufen, der in Zeiten der Not wohl oder übel zusammenarbeiten muss. Nach kurzer Zeit kommt es zu Mutationen einzelner Zellen innerhalb des Bakterienschwarms. Die mutierten Zellen verhalten sich nicht mehr sozial wie der Rest, der mit hohem Energieaufwand den Fruchtkörper am Leben hält, sondern sie schmarotzen. Sie wollen zu den wenigen Sporen bildenden Zellen gehören, die nach der Abspaltung des Organismus relativ leicht überleben können, da sie mit ihren dicken Zellwänden vor Austrocknung, UV-Schädigung oder schädliche Umwelteinflüsse resistent sind.
"Dabei haben wir verschiedene Zusammensetzungen dieser Betrüger- oder Schmarotzerzellen gefunden, die unterschiedliche Ziele verfolgten. Eine bestimmte Anzahl durften sie jedoch nicht überschreiten, da der Organismus sonst kollabierte. Manchmal überlebten nur die Betrüger oder nur die kooperativen Zellen, hin und wieder starb aber auch die ganze Population."
Um diesem genetischen Kalkül – wann sich welche Mutation lohnt - auf die Schliche zu kommen, starteten Greg Velicer und seine Kollegen einige Wettkampfexperimente. Dabei mussten sich die Bakterien, bei denen mal die Betrüger, mal die kooperierenden Zellen in der Überzahl waren, notgedrungen zusammenraufen, da sie Hungerzeiten zu überstehen hatten. Ziel der Forscher war es, Mutationen zu erzeugen, bei denen sich eine Gruppe durchsetzt, um den großen Organismus steuern zu können.
"Einmal kam es zu einem Zusammenbruch des Organismus, bei der aber eine Zelllinie überlebt hatte. Zu unserer Überraschung war es weder eine kooperative Zelle noch eine schmarotzende. Irgendetwas musste sich von dem Schmarotzer genetisch weiterentwickelt haben, genauer gesagt vom Schmarotzer zurückentwickelt haben."
Ein Bakterium hatte sich im Fruchtkörper zuerst von einer kooperierenden Zelle zu einem Schmarotzer entwickelt und dann irgendwann wieder zu einer kooperierenden Form, die bislang nicht existierte. Um herauszufinden, was passiert war, suchten die Genetiker nach Mutationen. Dabei stießen sie zwar auf verändertes Gen, konnten ihm aber keine Steuerfunktion nachweisen. Also muss die entscheidende Veränderung in der Erbsubstanz woanders liegen, vermutet Gregory Velicer.
"Wahrscheinlich handelt es sich dabei um eine Mutation in einem kleinen RNA-Molekül, das die Informationen des Erbmoleküls DNA in die Tat umsetzt. Es ist erstaunlich, dass eine einzelne Mutation die komplizierte Entwicklungskette sozialer Kooperationen mit einer winzigen Veränderung vollständig umkehren kann. Diese Flexibilität zeigt, dass eine Entwicklung in eine Richtung nicht zwangsläufig eine Sackgasse sein muss."
Damit gelang den Genetikern der Beweis, dass Evolution nicht immer nur vorwärts in eine Richtung geht, sondern sich manchmal – wie in diesem Fall bei Bakterien - wieder zurückentwickeln kann.
"Wir arbeiten mit dem sozialen Bakterium Myxococcus xanthus. Sozial heißt, dass sich bei Hungersnöten Zehntausende diese Bakterien zu einem großen Fruchtkörper zusammenschließen. Da nur einige der Zellen mit der Zeit Sporen bekommen, verändert sich das Erbgut an bestimmten Stellen innerhalb des Organismus und es kommt zum Kampf darum, welches Erbgut die Sporenbildung bestimmt."
Der Biologe von der Indiana University im amerikanischen Bloomington wollte herausfinden, wie die einzelnen Zellen es schaffen, gemeinsam einen Organismus aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu einem menschlichen Organismus, dessen Zellen alle aus der Verschmelzung von Ei- und Samenzelle der Eltern stammen, ist die Bakterienkolonie ein bunt gemischter Haufen, der in Zeiten der Not wohl oder übel zusammenarbeiten muss. Nach kurzer Zeit kommt es zu Mutationen einzelner Zellen innerhalb des Bakterienschwarms. Die mutierten Zellen verhalten sich nicht mehr sozial wie der Rest, der mit hohem Energieaufwand den Fruchtkörper am Leben hält, sondern sie schmarotzen. Sie wollen zu den wenigen Sporen bildenden Zellen gehören, die nach der Abspaltung des Organismus relativ leicht überleben können, da sie mit ihren dicken Zellwänden vor Austrocknung, UV-Schädigung oder schädliche Umwelteinflüsse resistent sind.
"Dabei haben wir verschiedene Zusammensetzungen dieser Betrüger- oder Schmarotzerzellen gefunden, die unterschiedliche Ziele verfolgten. Eine bestimmte Anzahl durften sie jedoch nicht überschreiten, da der Organismus sonst kollabierte. Manchmal überlebten nur die Betrüger oder nur die kooperativen Zellen, hin und wieder starb aber auch die ganze Population."
Um diesem genetischen Kalkül – wann sich welche Mutation lohnt - auf die Schliche zu kommen, starteten Greg Velicer und seine Kollegen einige Wettkampfexperimente. Dabei mussten sich die Bakterien, bei denen mal die Betrüger, mal die kooperierenden Zellen in der Überzahl waren, notgedrungen zusammenraufen, da sie Hungerzeiten zu überstehen hatten. Ziel der Forscher war es, Mutationen zu erzeugen, bei denen sich eine Gruppe durchsetzt, um den großen Organismus steuern zu können.
"Einmal kam es zu einem Zusammenbruch des Organismus, bei der aber eine Zelllinie überlebt hatte. Zu unserer Überraschung war es weder eine kooperative Zelle noch eine schmarotzende. Irgendetwas musste sich von dem Schmarotzer genetisch weiterentwickelt haben, genauer gesagt vom Schmarotzer zurückentwickelt haben."
Ein Bakterium hatte sich im Fruchtkörper zuerst von einer kooperierenden Zelle zu einem Schmarotzer entwickelt und dann irgendwann wieder zu einer kooperierenden Form, die bislang nicht existierte. Um herauszufinden, was passiert war, suchten die Genetiker nach Mutationen. Dabei stießen sie zwar auf verändertes Gen, konnten ihm aber keine Steuerfunktion nachweisen. Also muss die entscheidende Veränderung in der Erbsubstanz woanders liegen, vermutet Gregory Velicer.
"Wahrscheinlich handelt es sich dabei um eine Mutation in einem kleinen RNA-Molekül, das die Informationen des Erbmoleküls DNA in die Tat umsetzt. Es ist erstaunlich, dass eine einzelne Mutation die komplizierte Entwicklungskette sozialer Kooperationen mit einer winzigen Veränderung vollständig umkehren kann. Diese Flexibilität zeigt, dass eine Entwicklung in eine Richtung nicht zwangsläufig eine Sackgasse sein muss."
Damit gelang den Genetikern der Beweis, dass Evolution nicht immer nur vorwärts in eine Richtung geht, sondern sich manchmal – wie in diesem Fall bei Bakterien - wieder zurückentwickeln kann.