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150 Gene durch Raubmord erbeutet

Cholerabakterien besorgen sich offenbar auf rabiate Weise genetisches Material anderer Mikroben. (Bild: G. Knott & M. Blokesch, EPFL)

Rabiater Patentklau unter Bakterien: Die Erreger der Cholera rammen Konkurrenten einen Speer in den Leib und erbeuten anschließend bis zu 150 Gene des Opfers, berichten Forscher. Die Bakterien integrieren die fremde DNA dann in das eigene Erbgut. Dadurch können sie ihre Evolution beschleunigen oder sich Antibiotikaresistenzen aneignen, geht aus der Studie hervor.

Die Entwicklung neuer genetischer Merkmale braucht viel Zeit – das gilt allerdings nur für die höheren Lebewesen: Bei Bakterien kann die Evolution ausgesprochen fix verlaufen. Denn die Einzeller können auch ohne einen Generationswechsel ihre Genetik verändern, indem sie DNA von anderen Bakterien oder aus der Umwelt aufnehmen und in ihr Erbgut einbauen. Dieser Prozess wird als horizontaler Gentransfer bezeichnet. Diese Fähigkeit der Mikroben ist besonders im Zusammenhang mit der Ausbreitung von Erbanlagen problematisch, die Antibiotikaresistenzen vermitteln.

Vergiftete Speere

In früheren Studien haben Forscher bereits gezeigt, dass einige Bakterienarten dabei nicht nur einfach fremde DNA aus der Umwelt aufnehmen – sie können sie auch räuberisch erbeuten. Dabei kommt eine bakterielle Waffe zum Einsatz, die normalerweise dem Konkurrenzkampf unter den Mikroben dient. Sie wird als Typ VI-Sekretionssystem oder T6SS bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine Art Speer, den die Mikroben aus ihrer Zellhülle heraus auf Konkurrenten abfeuern. Die Spitze dieser Waffe ist zusätzlich vergiftet, um dem Opfer besonders effektiv den Garaus zu machen.

Wie Untersuchungen bereits gezeigt haben, setzt sich auch der berühmt-berüchtigte Erreger der Cholera (Vibrio cholerae) mittels dieser Waffe gegen konkurrierende Bakterien in seinem Umfeld durch. Doch nicht nur das: Ein Forscherteam um Melanie Blokesch von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne konnte zeigen, dass V. cholerae offenbar gezielt DNA aufnimmt, die aus den erstochenen Opfern austritt. Anschließend integrieren die Bakterien das genetische Beutematerial in ihr eigenes Erbgut. In der aktuellen Studie sind die Forscher nun der Frage nachgegangen, welche Bedeutung die Waffe für die DNA-Aufnahmefähigkeit der Cholerabakterien hat und wie viel DNA sie bei einem einzigen Raubmord erbeuten können.

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Sie verglichen dazu Cholerabakterien, die den Speer ausbilden können, mit Versionen, denen diese Fähigkeit fehlt. Beide Stämme wurden getrennt voneinander mit nicht verwandten Bakterien gemeinsam kultiviert. Diese Donor- beziehungsweise Opfer-Bakterien trugen Resistenzen gegen bestimmte Antibiotika in ihrem Erbgut. Dies ermöglichte es den Forschern, die Häufigkeit und das Ausmaß des DNA-Transfers zwischen den Mikroben leichter zu bestimmen.

Wie viel DNA erbeuten die Raubbakterien?

So konnten Blokesch und ihre Kollegen zunächst zeigen: Die Cholerabakterien, die das Waffensystem ausbilden, können sich viel effizienter Erbgut von Donor-Bakterien aneignen als die „unbewaffneten“ Versionen, die auf eine passive Aufnahme von freiwerdender DNA angewiesen sind. Genauere genetische Analysen zeigten dann, welche Ausbeute der Raubmord ermöglicht. Die Forscher sequenzierten dazu das Genom der räuberischen Bakterien nach dem Diebstahl. So zeigte sich, dass V. cholerae sogar große Genomregionen von seinen Opfern erbeutet. Bei einer einzigen Attacke können sie demnach mehr als 150.000 Nukleinsäure-Basenpaare stehlen, was etwa 150 Genen entspricht. Anschließend integrieren die Räuber das Beutegut in ihr Genom, das insgesamt rund 4000 Gene umfasst, berichten die Wissenschaftler.

„Dieser Befund ist im Kontext der bakteriellen Evolution sehr wichtig“, sagt Blokesch. „Das Ergebnis verdeutlicht, wie hochflexibel Bakterien wie V. cholerae ihr Genom anpassen und damit ihre Entwicklung beschleunigen können“, so die Wissenschaftlerin. Im Fall des Erregers der Cholera erscheint dies besonders problematisch. Die vor allem durch kontaminiertes Wasser verursachte Infektionserkrankung ist besonders für die schlimmen Pandemien im 19. Jahrhundert bekannt – doch die Cholera hat keineswegs ihren Schrecken verloren: Der Weltgesundheitsorganisation zufolge infizieren sich vor allem in Entwicklungsländern jährlich bis zu vier Millionen Menschen mit V. cholerae – für etwa 100,000 endet dies tödlich.

Quelle: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Fachartikel: eLife, doi: 10.7554/eLife.48212

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