Die Auswirkungen der Genom-Vereinfachung bei Bakterien

Genomstreamlining ist eine Methode, bei der unnötige Gene aus der DNA eines Organismus entfernt werden, was zu einer einfacheren genetischen Struktur führt. Das passiert ganz natürlich bei vielen kleinen Lebewesen, besonders in stabilen und nährstoffreichen Umgebungen. In solchen Settings gehen oft die Gene verloren, die für Prozesse wichtig sind, die zum Überleben nicht nötig sind. Wir verstehen allerdings noch nicht genau, wie dieser Prozess in der Natur funktioniert. Das meiste, was wir wissen, stammt von der Analyse der Genome bestimmter Organismen, die in anderen Zellen leben, und dem Vergleich mit denen, die frei leben.

Wissenschaftler haben zwei Hauptmethoden verwendet, um das Genomstreamlining im Labor zu untersuchen. Eine Methode, die als Top-Down bezeichnet wird, beginnt mit einem frei lebenden Organismus (nicht als Parasit) und entfernt schrittweise Gene, die nicht essenziell sind. Diese Methode war bei vielen Bakterien und Pilzen erfolgreich und führte zu erheblichen Reduktionen ihres genetischen Materials. Die andere Methode, Bottom-Up genannt, besteht darin, DNA von Grund auf neu zu erstellen, um ein minimales Chromosom zu bilden und es in eine Zelle zu bringen, um einen neuen lebenden Organismus zu schaffen. Mit dieser Methode haben Forscher Stämme bestimmter Bakterien mit sehr kleinen Genomen erschaffen.

Viele glauben, dass schlankere Genome für die synthetische Biologie hilfreich sein können, also für das Design neuer biologischer Teile oder Systeme. Indem Gene entfernt werden, die in bestimmten Umgebungen schädlich sein könnten, können Wissenschaftler Organismen massschneidern, um gewünschte Ergebnisse zu erzielen. Zum Beispiel haben Wissenschaftler spezifische Gene in Bakterien gelöscht, um ihre Überlebenschancen zu verbessern oder die Produktion nützlicher Substanzen wie Antibiotika oder Proteine zu steigern. Die Vereinfachung der Struktur dieser Organismen kann es auch einfacher machen, vorherzusagen, wie sie sich verhalten, besonders wenn es um unbekannte Funktionen bestimmter Gene geht.

Allerdings gibt es auch Nachteile beim Entfernen von Genen. Einige Gene, obwohl sie nicht notwendig sind, können dennoch wichtige Rollen im Überleben des Organismus spielen. Der Verlust dieser sogenannten "quasi-essenziellen" Gene kann Probleme verursachen, wie z.B. die Fähigkeit des Organismus zu verringern, Stress standzuhalten, oder zu beeinflussen, wie Gene insgesamt exprimiert werden. Wenn Forscher grosse Abschnitte des Genoms entfernen, riskieren sie, Gene zu verlieren, die auf den ersten Blick unbedeutend erscheinen, aber in einem grösseren Netzwerk entscheidend sind. In manchen Fällen können diese Löschungen sogar zum Tod des Organismus führen.

Um den Fitnessverlust, der durch Genlöschungen entstehen kann, zu adressieren, haben Wissenschaftler eine Methode namens Labor-Evolution verwendet, um den Organismen zu helfen, ihre Stärke zurückzugewinnen. Das bedeutet, dass die modifizierten Organismen über Zeit wachsen und sich entwickeln dürfen, was zu neuen Mutationen führt, die die verlorenen Gene kompensieren können. Diese Methode hat sich bei Einzelgenlöschungen als wirksam erwiesen, aber es ist unklar, ob sie auch funktioniert, wenn viele Gene auf einmal entfernt werden.

#Studienübersicht

In dieser Forschung haben wir acht Stämme eines Bakteriums namens Acinetobacter baylyi untersucht, die modifiziert wurden, um reduzierte Genome zu haben. Wir haben diese Stämme einem Evolutionsexperiment unter zwei verschiedenen Wachstumsbedingungen unterzogen: einer komplexen (reich an Nährstoffen) und einer definierten (mehr basic). Wir konzentrierten uns auf Stämme, bei denen mindestens 17 unnötige Gene entfernt worden waren, ohne eine Vorliebe für die Arten von gelöschten Genen. Zunächst zeigten viele Stämme Fitnessdefizite, was bedeutete, dass sie im Vergleich zu ihren Vorfahren Schwierigkeiten hatten zu überleben.

Dennoch zeigten die meisten Stämme im Laufe des Experiments eine Verbesserung der Fitness. Wir sequenzierten die Genome der evolvierten Stämme, um herauszufinden, welche Veränderungen aufgetreten waren. Einige der häufigsten Mutationen traten in einem Netzwerk auf, das die Genexpression reguliert. Viele dieser Mutationen schienen die Auswirkungen der gelöschten Gene auszugleichen, was den modifizierten Stämmen eine bessere Anpassung an ihre Umgebungen ermöglichte.

#Reduzierte Genom-Varianten und Fitness

Um besser zu verstehen, wie das Entfernen von Genen Bakterien beeinflusst, haben wir mehrere Stämme von Acinetobacter unter Verwendung einer vorherigen Version dieses Bakteriums, ADP1-ISx, erstellt. Wir hatten das Ziel, das Genom durch mehrfache Genlöschungen zu streamline. Wir haben erfolgreich Stämme erstellt, die entweder einzelne Gene oder mehrere Gene entfernt hatten. Dadurch konnten wir beurteilen, wie sich die verschiedenen Löschungen auf die Fitness jedes Stammes auswirkten.

Um diese Fitnesslevels zu bestimmen, haben wir Wettbewerbstests eingerichtet, in denen unsere modifizierten Stämme gegen den Originalstamm (ADP1-ISx) mit einem grünen Fluoreszenzprotein (GFP)-Tag antreten mussten. Diese Wettbewerbe fanden sowohl in komplexen als auch in definierten Medien statt. Die Ergebnisse zeigten, dass die modifizierten Stämme im Allgemeinen eine reduzierte Fitness im Vergleich zum Stammvorfahren aufwiesen, wobei einige Unterschiede je nach verwendetem Medium bestanden.

In nährstoffreicheren Umgebungen zeigten bestimmte Stämme deutlich niedrigere Fitnesslevels. Die Daten zeigten, dass grössere Löschungen typischerweise zu grösseren Fitnessdefiziten führten, was die Idee bestätigte, dass wichtige Funktionen durch den Löschprozess verloren gegangen sein könnten.

#Evolution der Stämme

Um zu sehen, ob sich die Stämme nach Genlöschungen erholen könnten, liessen wir sie über etwa 300 Generationen evolvieren. Wir wiederholten den Prozess, kleine Kulturen regelmässig in frische Medien zu übertragen. Nach dieser Evolutionsphase wählten wir einzelne Kolonien für weitere Tests aus.

Wir führten weitere Wettbewerbstests durch, um zu beobachten, wie die evolved Stämme gegen ADP1-ISx-GFP abschnitten. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die meisten Stämme durch die Evolution an Fitness gewonnen hatten, was eine allgemeine Verbesserung gegenüber ihren ursprünglichen Zuständen zeigte. Allerdings erholten sich einige Stämme nicht, was darauf hindeutet, dass bestimmte Genlöschungen bleibende Schäden verursachen können, die nicht nur durch Evolution behoben werden konnten.

Die während der Evolution auftretenden Mutationen zeigten eine Vielzahl von Auswirkungen auf die Genfunktion. Einige beinhalteten einfache Änderungen in der DNA-Sequenz, während andere zu Veränderungen führten, die bestimmte Gene vollständig deaktivieren konnten. Zum Beispiel waren Mutationen, die ein Gen namens rnd betrafen, unter den evolved Stämmen häufig, besonders unter einer der Wachstumsbedingungen.

#Spezifische Mutationen und ihre Effekte

Wir untersuchten die Arten von Mutationen, die in den evolvierten Stämmen auftraten, um ihre Rollen besser zu verstehen. Das am häufigsten mutierte Gen war rnd. Dieses Gen spielt eine bedeutende Rolle dabei, wie Bakterien RNA, das Molekül, das eine wichtige Rolle bei der Expression von Genen spielt, managen.

Interessanterweise traten Mutationen im rnd bei Stämmen, die in definiertem Medium gewachsen waren, häufiger auf. Im Gegensatz dazu beobachteten wir auch, dass Mutationen in anderen Genen eher bei Stämmen auftraten, die in komplexem Medium gewachsen sind. Das deutet darauf hin, dass die Umwelt Einfluss darauf haben könnte, welche Mutationen für die Bakterien vorteilhaft sein können.

Zudem beobachteten wir, dass bestimmte Mutationen eng mit bestimmten gelöschten Genen verknüpft waren. Zum Beispiel zeigten zahlreiche Stämme, die aus demselben Vorfahren stammten, ähnliche Mutationen, was darauf hindeutet, dass sie möglicherweise dazu dienen, den funktionalen Verlust, der durch die Löschungen verursacht wurde, auszugleichen.

Neben der Suche nach Mutationen in bestimmten Genen untersuchten wir auch, wie schnell diese Änderungen auftraten. Wir fanden heraus, dass die Mutationsrate über verschiedene Stämme und Umgebungen hinweg ziemlich ähnlich war. Allerdings stellten wir fest, dass bestimmte Vorfahren Unterschiede in den Mutationsraten aufwiesen, was darauf hindeuten könnte, dass genetische Hintergründe beeinflussen, wie gut sich ein Organismus nach einer Genomreduktion anpasst.

#Analyse der Fitnessänderungen

Nach einer eingehenden Analyse fanden wir heraus, dass einige Stämme nach Löschungen keine signifikanten Fitnessgewinne zeigten. Zum Beispiel hatte ein Stamm (MGD9) ein grosses Fitnessdefizit in einer Umgebung und verbesserte sich nach der Evolution nicht. Im Gegensatz dazu zeigte der Stamm MGD12 eine Abnahme der Fitness, als rnd gelöscht wurde, obwohl er Teil eines erfolgreichen evolutionären Pfades war.

Diese Inkonsistenz machte deutlich, dass, obwohl die Labor-Evolution nützlich war, um die Fitness zu verbessern, nicht garantiert ist, dass alle Stämme gleich von Mutationen profitieren. Die Art der Löschungen und der genetische Hintergrund schienen eine entscheidende Rolle darin zu spielen, wie sich jeder Stamm im Laufe der Zeit anpasste.

#Fitness-Rückgewinnung und genetische Einblicke

Insgesamt zeigte das Evolutionsexperiment, dass viele Stämme verlorene Fitness zurückgewinnen konnten, was es uns ermöglichte, mehr über die Auswirkungen von Genlöschungen zu lernen. Während des gesamten Prozesses sahen wir konsequent, dass bestimmte Gene mutierten, was darauf hindeutet, dass Strategien zur Wiederherstellung der Fitness oft ähnliche Wege einschliessen.

Zum Beispiel waren verschiedene Mutationen mit der AbsR28 kleinen RNA und dem rpoD-Gen verbunden, das wichtig ist für die Regulierung, wie Gene ein- und ausgeschaltet werden. Es wurde deutlich, dass, obwohl Hintergrundmutationen zwischen den Stämmen variieren konnten, die grundlegende Reaktion auf den Verlust von Genen Ähnlichkeiten über viele Stämme hinweg aufwies.

Wir schauten uns auch an, wie sich Genlöschungen auf die Anpassungsfähigkeit unterschiedlicher Stämme über die Zeit auswirkten. Die Daten deuteten darauf hin, dass, während die Evolution einige Genverluste kompensieren konnte, es dennoch Grenzen dafür gab, wie weit das gehen konnte. Einige Stämme verloren essentielle Funktionen, die nicht leicht durch Mutationen an anderer Stelle in ihrem Genom ersetzt werden konnten.

#Fazit

Diese Studie verdeutlichte das Potenzial und die Herausforderungen von Genomstreamlining und Labor-Evolution. Während die Reduzierung der Genomkomplexität von Acinetobacter baylyi vielversprechende Wege zur Fitness-Rückgewinnung aufzeigte, hob sie auch die Komplexität dieses Prozesses hervor.

Das Verständnis der Rolle von Schlüsselmutationen und wie sie zur Verbesserung der Fitness beitragen können, kann zukünftige Bemühungen in der synthetischen Biologie unterstützen. Es ist wichtig zu erkennen, welche Gene entscheidende Rollen im Überleben spielen und wie deren Entfernung die allgemeine Robustheit des Organismus beeinflussen kann. In Zukunft können Forscher sich darauf konzentrieren, Mutationen zu identifizieren, die Fitnessvorteile bieten, während sie sich der potenziellen Nachteile extensiver Genlöschungen bewusst sind.

Durch die weitere Untersuchung dieser Themen können Wissenschaftler darauf hinarbeiten, effizientere Mikroorganismen für verschiedene Anwendungen zu schaffen und unser Verständnis von genetischer Manipulation und mikrobieller Anpassungsfähigkeit weiter voranzutreiben.