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Evolution, live und in Farbe

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Seit mehr als zwanzig Jahren züchten die Forscher E. coli-Bakterien im Labor. Bild: Greg Kohuth, Michigan State University
Seit mehr als zwanzig Jahren beobachten US-Forscher Evolution live im Labor ? am Beispiel von Escherichia-coli-Bakterien. Jetzt haben sie einen Zwischenbericht dieses einzigartigen Experiments vorgestellt. Ihr Fazit nach der Analyse von 40.000 Generationen: Die Evolution der Mikroben folgt in vielem exakt den Regeln, die bereits Charles Darwin entdeckt hat, ist jedoch insgesamt sehr viel komplizierter als bisher angenommen. Am Ende sind die Forscher mit ihrer Arbeit damit noch lange nicht: Die Bakterien sollen weiterwachsen und so in Zukunft nicht nur Fragen rund um die Evolutionstheorie beantworten helfen, sondern auch zeigen, welche Faktoren für die gezielte Veränderung von Bakterien etwa in der Biotechnologie eine Rolle spielen.

Im Februar 1988 starteten Richard Lenski und seine Kollegen das Dauer-Experiment, indem sie zwölf Kulturen des vor allem im Darm vorkommenden Bakteriums E. coli anlegten. Seitdem wird jeden Tag 0,1 Milliliter der Bakteriensuspension in eine neue Kulturflasche mit knapp zehn Millilitern Nährflüssigkeit gegeben, so dass die Mikroben immer genug Futter zum Wachsen haben. Regelmäßig entnehmen die Wissenschaftler Proben, die sie für spätere Experimente und Analysen einfrieren. Mittlerweile haben die Bakterien die Marke von 40.000 Generationen überschritten, so dass ein Vergleich der Lebensweise und des Erbguts aus den Generationen 2.000, 5.000, 10.000, 15.000, 20.000 und 40.000 möglich wurde.

Bis Generation 20.000 verlief die Entwicklung der Bakterien sehr gleichmäßig, entdeckten die Forscher: Die Geschwindigkeit, mit dem sich Veränderungen im Erbgut ? sogenannte Mutationen ? ansammelten, blieb während dieser Zeit praktisch konstant. Allerdings ging damit nicht, wie erwartet, eine ebenfalls konstante Verbesserung der Fitness bei den Bakterien einher: Zuerst scheint sich ein großer Teil der Mutationen positiv auf das Überleben der Mikroben ausgewirkt zu haben, denn sie wuchsen messbar schneller als die ursprüngliche Population. Dann ließ diese Anpassungsgeschwindigkeit jedoch nach, obwohl die Mutationsrate gleich blieb.

Nach etwa 26.000 Generationen muss es dann eine Mutation gegeben haben, die den DNA-Stoffwechsel beeinflusste. Als Konsequenz davon stieg die Mutationsrate rasant an. Während es beispielsweise nach 20.000 Generation 45 nachweisbare Mutation gab, waren es nach 40.000 Generationen bereits 653, und das Erbgut war zu dieser Zeit um 1,2 Prozent kürzer als das der ursprünglichen Bakterien. Die meisten dieser Veränderungen scheinen sich jedoch weder sehr positiv noch sehr negativ auf die Überlebensfähigkeit der Bakterien ausgewirkt zu haben, schreiben die Forscher. Einige der Mutationsvarianten, die bei den Laborkulturen auftraten, finden sich so oder ähnlich auch bei krankmachenden Bakterien. Die Labor-Evolution könnte daher helfen, diese potenziell gefährlichen Veränderungen besser zu verstehen und ihnen wirkungsvoll entgegenzutreten.

Richard Lenski (Michigan State University, East Lansing) et al.: Nature, Online-Vorabveröffentlichung, doi: 10.1038/nature08480 ddp/wissenschaft.de ? Ilka Lehnen-Beyel
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