Mikrobielle Evolution: Die Rolle positiver Interaktionen

Mikroorganismen, wie Bakterien, können sich im Laufe der Zeit verändern und anpassen. Das passiert durch einen Prozess namens Evolution, bei dem sie neue Eigenschaften entwickeln können, die ihnen helfen, besser in ihrer Umgebung zu überleben und sich fortzupflanzen. Forscher haben diese Evolution über viele Generationen hinweg in Laborumgebungen untersucht – manchmal sogar über Tausende. In diesen Studien finden Wissenschaftler oft heraus, dass diese mikrobielle Populationen Veränderungen in ihrem genetischen Aufbau erfahren.

Wenn Bakterien sich anpassen, können sie neue genetische Mutationen erlangen, die sie besser an ihre Umgebung anpassen. Manchmal breiten sich diese Mutationen schnell in der Population aus. Das kann zu einer Situation führen, in der es weniger genetische Vielfalt gibt, da eine oder wenige Mutationen dominieren. In einigen Fällen können jedoch verschiedene genetische Variationen bestehen bleiben und zur Bildung neuer Gruppen oder Linien führen.

Zum Beispiel hat ein häufiges Laborbakterium namens Escherichia coli gezeigt, dass es sich im Laufe der Zeit zu Spezialisten entwickelt, die unterschiedliche Ressourcen konsumieren. Diese mikrobielle Evolution tritt oft in Umgebungen auf, in denen Ressourcen begrenzt sind. Forscher haben herausgefunden, dass die räumliche Struktur – wie Bakterien in ihrer Umgebung organisiert sind – dazu beitragen kann, genetische Vielfalt zu erhalten, da sie es verschiedenen Nischen ermöglicht, zu existieren. Ausserdem können Interaktionen zwischen Arten, ob schädlich oder vorteilhaft, beeinflussen, wie sich Populationen entwickeln.

#Kommensale Interaktionen in mikrobiellen Gemeinschaften

Während viele Studien den Fokus auf negative Interaktionen (wie Wettbewerb oder Räubertum) legen, sind positive Interaktionen zwischen Mikroben auch wichtig. Eine solche vorteilhafte Interaktion nennt man Cross-Feeding. Beim Cross-Feeding konsumiert eine Art von Mikroben eine Substanz und produziert ein Nebenprodukt, das eine andere Mikrobe nutzen kann. Diese Beziehung kann vorteilhaft sein und wird oft in verschiedenen Umgebungen beobachtet. Der Einfluss dieser positiven Interaktionen auf die allgemeine Vielfalt einer mikrobiellen Gemeinschaft ist jedoch nicht gut verstanden.

Um die Rolle dieser Interaktionen zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine kontrollierte Gemeinschaft aus zwei Bakterienarten geschaffen: Acinetobacter johnsonii und Pseudomonas putida. Beide Arten wurden aus einer verschmutzten Umgebung entnommen und haben sich natürlicherweise angepasst, um schädliche Verbindungen in verschiedenen Umweltverschmutzungen abzubauen. In dieser Studie ernährt sich A. johnsonii von Benzylalkohol und produziert Benzoat, eine Substanz, die P. putida dann nutzen kann.

#Studiendesign und Methodik

Die Forscher bauten auf früheren Experimenten auf, bei denen P. putida alleine und zusammen mit A. johnsonii evolvierte. Sie wollten sehen, wie die Anwesenheit von A. johnsonii die Veränderungen bei P. putida über viele Generationen beeinflusste. Insbesondere schauten sie sich an, wie sich die Evolution der Eigenschaften unterschied, wenn P. putida alleine oder mit A. johnsonii gewachsen wurde. Zudem waren sie auch daran interessiert, welche Arten von Mutationen die Unterschiede in den Eigenschaften verursachten und wie diese Mutationen mit der Fitness und dem Überleben der Bakterien zusammenhingen.

Im Evolutionsexperiment wurden die beiden Bakterienarten in einem speziellen Nährmedium kultiviert. Die Bakterien wurden über einen Zeitraum von etwa 30 Tagen kultiviert, was ungefähr 200 Generationen entspricht. Während dieser Zeit verfolgten die Forscher das Wachstum der Bakterien, massen, wie viele Zellen in jeder Kultur vorhanden waren, und beobachteten Veränderungen im Aussehen und in den Eigenschaften.

Um die evolutionären Veränderungen zu bewerten, massen die Wissenschaftler vier Schlüsselmerkmale: Wachstumsrate, Ertrag (die Menge an produzierter Biomasse), maximale Aufnahmerate (die Geschwindigkeit, mit der Ressourcen konsumiert werden) und Halb-Sättigungskonstante (der Ressourcenlevel, bei dem die Hälfte der maximalen Aufnahme erfolgt). Diese Messungen verwendeten sie, um die evolvierten Populationen mit ihren Vorfahren zu vergleichen.

#Beobachtung von Veränderungen bei Bakterien

Nach dem Evolutionsexperiment bemerkten die Forscher, dass P. putida neue Eigenschaften entwickelte, abhängig davon, wie es gewachsen wurde. In Kulturen, in denen P. putida allein war, bildete es nur eine einzige Art von Kolonie. Als es jedoch zusammen mit A. johnsonii gewachsen wurde, diversifizierten sich die Populationen in zwei Arten von Kolonien. Eine Art bildete grössere Kolonien, während die andere der ursprünglichen Vorfahren ähnelte. Diese Diversifizierung war in der Monokultur nicht zu sehen, wo nur grössere Kolonien auftraten.

Weitere Analysen zeigten, dass in der Co-Kultur der Ertrag von P. putida erheblich variierte. Einige Bakterien produzierten mehr Biomasse als andere. Während Populationen in Monokultur einen Anstieg des Ertrags zeigten, wiesen nur Ko-Kulturen eine Vielfalt in den Erträgen auf. Das war spannend, weil es darauf hinwies, dass die Interaktion mit A. johnsonii eine variiertere Wachstumsstrategie ermöglichte.

#Genetische Veränderungen und ihre Auswirkungen

Um die Ursache dieser phänotypischen Vielfalt zu bestimmen, sequenzierten die Forscher die DNA der evolvierten Bakterien. Sie identifizierten Mutationen in bestimmten Genen, insbesondere in einem Gen, das die Bewegung der Bakterien reguliert. Dieses Gen ist dafür bekannt, wie gut die Bakterien schwimmen und Biofilme bilden können.

Interessanterweise trugen die grösseren Kolonien oft Mutationen in dem mit der Bewegung verbundenen Gen, was bedeutete, dass diese Bakterien die Fähigkeit verloren hatten, effektiv zu schwimmen. Währenddessen zeigten einige kleinere Kolonien andere Mutationen. Der Verlust der Beweglichkeit könnte es den grösseren Kolonien ermöglicht haben, mehr Energie in die Produktion von Biomasse zu stecken, anstatt sich zu bewegen. Diese Situation hebt hervor, wie die Evolution manchmal zu Kompromissen führen kann, bei denen ein Vorteil in einem Bereich Nachteile in anderen Bereichen mit sich bringt.

#Koexistenz verschiedener Morphotypen

Die Ergebnisse des Experiments deuteten darauf hin, dass beide Bakterienarten in Gegenwart von A. johnsonii koexistieren konnten. Obwohl ein Morphotyp einen Wachstums-Vorteil hatte, konnte der kleine Morphotyp dennoch überleben. Die Forscher waren daran interessiert, zu verstehen, wie diese Koexistenz zustande kam.

Sie führten zusätzliche Experimente durch, um zu sehen, ob seltene Morphotypen eindringen und sich in Populationen etablieren konnten. Sie fanden heraus, dass die Anwesenheit von A. johnsonii die Fähigkeit dieser Morphotypen, wenn sie selten waren, nicht signifikant veränderte, zu gedeihen. Allerdings zeigte der grosse Morphotyp eine gewisse Fähigkeit zur Invasion, wenn er in niedriger Häufigkeit vorhanden war.

#Fazit: Die Rolle von Interaktionen in der mikrobiellen Vielfalt

Diese Studie zeigte, dass mikrobielle Vielfalt selbst in einfachen Umgebungen wachsen kann, insbesondere durch positive Interaktionen wie Cross-Feeding. Die Beziehung zu A. johnsonii erlaubte eine grössere genetische und phänotypische Vielfalt in P. putida im Vergleich dazu, als es allein gewachsen wurde. Die Ergebnisse unterstützen die Idee, dass Interaktionen zwischen Arten erheblich zur Komplexität mikrobieller Gemeinschaften beitragen.

Während die Forscher diese Veränderungen beobachten und messen konnten, erkannten sie einige Einschränkungen in ihren Ergebnissen. Weitere Experimente wären notwendig, um die langfristige Nachhaltigkeit dieser Vielfalt zu bestimmen und wie die spezifischen Ressourcen, die von A. johnsonii bereitgestellt werden, die Evolution von P. putida beeinflussten. Insgesamt bietet diese Arbeit wichtige Einblicke in die Dynamik der mikrobielle Evolution und die potenziellen Vorteile von Beziehungen zwischen Arten zur Erhaltung der Vielfalt in Ökosystemen.