Hungrige Hefehaufen 1

Hefehaufen
Abb.: Koschwanez et al. eLife 2013

Darwins Theorie von Mutation und Selektion könne vielleicht erklären, wieso es grüne und braune Käfer gibt („Mikroevolution“), aber für die großen Übergänge („Makroevolution“) müsse man nach einer anderen Erklärung suchen – soweit ein gelegentlich gehörter Einwand gegen die Evolutionstheorie. An diesem Argument ist nicht viel dran, aber trotzdem ist die Frage interessant: Wie soll man sich denn die großen Innovationen in der Geschichte der Lebewesen vorstellen? Wie schafft es der blinde Mechanismus von Mutation und Selektion, komplexe Dinge wie den genetischen Code, Zellkerne, Lungenatmung, Flügel, Gehirn, Sprache und Bewusstsein hervorzubringen?

Einer dieser „Evolutionssprünge“ ist der Übergang vom Einzeller zum Vielzeller. Einzelliges Leben entstand vor mehr als drei Milliarden Jahren, aber  die ersten Vielzeller traten erst viel später auf, vor etwa zwei Milliarden Jahren, so zumindest der jetzige Stand der Forschung. Seitdem ist Vielzelligkeit mehrmals unabhängig voneinander entstanden.

Die Ereignisse auf dem Weg zur  Vielzelligkeit im Detail zu rekonstruieren ist quasi unmöglich  – Fossilien helfen hier nicht recht weiter und genetisches Material direkt aus den  ersten Vielzellern haben wir auch nicht. Allerdings ist es schon möglich, plausible Szenarien experimentell zu testen, wie John Koschwanez und zwei Kollegen in einen neuen Beitrag im Journal eLife in beeindruckender Weise vorführen.

Der Beitrag aus dem Feld der experimentellen Evolutionsbiologie zeigt exemplarisch, wie eine Population aus Einzellern als Antwort auf einen starken Selektionsdruck den ersten Schritt zur Vielzelligkeit macht.

Wieder einmal ist die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, die ich schon einmal hier zu Gast hatte, das Laborwesen der Wahl. Die Bäckerhefe, in der Form in der sie der Laborant, die Bierbrauerin und der Bäcker nutzt, ist ein einzelliger Pilz, der gut in zuckriger Lösung wächst. In meinem vorigen Beitrag zum Thema Hefe ging es um den Zucker Maltose und die Tricks, die die Hefe kennt, um die in der Maltose gespeicherte Energie nutzen zu können (siehe “Süße Innovation” ). Heute steht dagegen eine andere Form des Zuckers, die Sukrose, im Mittelpunkt. Wie die Maltose, so muss auch die Sukrose erst in ihre Bestandteile Fruktose und Glukose zerlegt werden, bevor sie die in ihr gespeicherte Energie an den Stoffwechsel der Hefe abgeben kann.

Eine Besonderheit dabei: Die Bäckerhefe erledigt die Umwandlung der Sukrose zu den „einfachen“ Zuckern Glukose und Fruktose ausserhalb der Zelle, mit Hilfe des Enzyms Invertase, das auf der Zelloberfläche sitzt. Spezialisierte „Hexose-Transporter“ nehmen dann die Produkte der Invertase  ins Innere der Zelle auf.

Das ist eine etwas seltsame Laune der Natur, denn der Zucker kann nach der Invertierung auch einfach davondiffundieren, ohne auf den Hexosetransporter zu treffen. Interessant wird es, wenn die Sukrose die einzige Zuckerquelle ist und die dann auch noch knapp wird: Jetzt hungert die Hefe und Mutanten, die auf irgendeine Weise die Sukrose effektiver nutzen, wachsen schneller und haben mehr Nachkommen als „Wildtyp“-Hefen.

So wird die Hefe satt.
Abb: Koschwanez et al, eLife 2013

Wie kommt die Hefe aus der Mangelsituation heraus? Die Hefe könnte zum Beispiel mehr Invertase herstellen und so für mehr Hexose im Medium sorgen. Sie könnte auch die Invertierung ins Zellinnere verlegen, also Sukrose aufnehmen, um das Davondiffundieren zu verhindern (siehe Abbildung links).

Die für Evolutionsbiologen interessanteste Lösung ist allerdings: die Hefezellen haften aneinander und kooperieren dadurch bei der Nahrungsaufnahme. Wenn der gesamte Zellverband Sukrose invertiert, ergibt sich lokal eine höhere Glukose-Konzentration als rund um die Einzelgängerzellen. Die verbundenen Zellen profitieren nämlich von der Invertase-Tätigkeit ihrer direkten Nachbarn, weniger Sukrose geht nutzlos im Medium verloren. Jede einzelne Zelle im Zellverband bekommt mehr Zucker und vermehrt sich schneller als ein Einzelgänger.

Das Neue und Spannende in der jetzt erschienenen Arbeit: Die Forscher haben sich diese verschiedene Hefestämme, die Sukrose effizienter verwerten, nicht nur theoretisch ausgedacht und entsprechende Hefen gentechnisch hergestellt, sondern sie haben auch der Evolution ihren Lauf gelassen, um zu sehen, ob die unter Laborbedingungen ablaufende Evolution ohne gentechnische Nachhilfe auf ähnliche Problemlösungen stösst.

Konkret ging das so: Koschwanez und Kollegen haben Hefen in einer Lösung mit wenig Sukrose wachsen lassen – es war gerade soviel Sukrose in der Nährlösung, dass die Hefen nicht sofort eingehen, aber doch wesentlich langsamer wachsen als in guternährtem Zustand. Sobald eine Kultur „vollgewachsen“ war, haben die Forscher eine bestimmte Menge Hefezellen entnommen und in eine frische Lösung überführt, um den Stamm am Wachsen zu halten. Das Ganze ca. 30 mal, entsprechend mehr als 250 Hefe-Generationen.

Die Experimentatoren haben also nur kontrollierte selektive Bedingungen geschaffen, Antworten auf das  Hunger-Dilemma musste „die Evolution“ (der Prozess aus zufälliger Mutation und Selektion durch die Nahrungsknappheit ) selbst finden.

Welche Lösungen hat die Evolution im Labor für das Problem „Sukrose-Diät“ entdeckt? Die meisten der überlebenden, evolvierten Stämme zeigten am Ende des Versuchs eine höhere Invertase-Aktivität. Die gentechnisch mögliche Variante, Sukrose ins Zellinnere aufzunehmen und erst dort zu invertieren, wurde nicht realisiert, dafür hat die Evolution auch eine Antwort gefunden, die die Forscher nicht auf dem Radar hatten – eine erhöhte Aktivität der Gene für Hexosetransporter.

Am Interessantesten ist aber, dass in 11 unabhängig evolvierten Stämmen der erste Schritt zur Vielzelligkeit realisiert wurde – die Zellen kleben aneinander.

Von einem Glas ins andere, immer wieder bis es klumpt.
Abb: Koschwanez et al., eLife 2013

Weil die Hefe ein überschaubares Genom hat und weil die Forscher bei den Verdünnungsschritten jeweils Proben der Hefekulturen einfroren, konnten sie den Evolutionsverlauf im Genom rekonstruieren und diejenigen Gene und Mutationen finden, die den entscheidenden Fitnessvorteil brachten.

Allerdings galt es dabei in Problem zu umschiffen: Mutationen sind zufällig und haben oft gar keinen Effekt auf die Fitness der Hefe. Trotzdem kann es sein, dass am Ende des Experiments alle Hefezellen in einer Kulturlinie diese Mutation tragen – einfach deshalb, weil durch Zufall die Abkömmlinge der Mutante den Rest der Kultur „übernommen“ haben (der Fachmann sagt „genetische Drift“ dazu). Das passiert wohl vor allem beim Übertragen der Kulturen in neues Medium, da hier jeweils relativ wenige Zellen eine neue Population starten. Das Problem war in der Studie auch deshalb verschärft, da die Autoren einen „Mutator“-Stamm verwendeten, der eine höhere Mutationsrate hat als „gewöhnliche“ Hefe.

Das heisst, die Forscher mussten aus dem Rauschen der zufälligen Mutationen diejenigen herausfiltern, die tatsächlich etwas mit dem Wachstumsvorteil in niedrig konzentrierter Sukrose zu tun haben. Wie genau das geht, erspare ich euch, aber kurz gesagt nutzt man aus, dass Hefen sich verpaaren können, und man dann unter Nachkommen mit verschiedenen genetischen Hintergründen nach den interessanten, funktionsändernden Mutationen fahnden kann („batch segregant analysis“ heisst die Methode).

Konkret hatten die 12 untersuchten Stämme 1521 Mutationen angesammelt, aber nur etwa 80 haben sich in der „batch segregant analysis“ als echte Kandidaten herausgestellt, die etwas mit dem Verkleben der Zellen zu tun haben könnten. Ein Gen, ACE2, war in 6 der 11 „klumpenden“ Stämme von Mutationen betroffen, meist dadurch, dass die Genaktivität stark heruntergefahren wurde.

Das Gen ACE2 kontrolliert selbst wiederum andere Gene, die die Trennung von Tochterzellen bewirken – wird das Gen durch Mutationen ausgeschaltet, bleiben die Zellen aneinander hängen und bekommen mehr Sukrose ab.

Gibt’s was zu kritisieren? Das Journal eLife , und die dortige Praxis, die Einwände der Gutachter zu publizieren, ist eine wunderbare Quelle für Wissenschafts-Blogger – sonst wäre mir wohl entgangen, dass die Autoren es versäumt haben, parallel eine Kontrolle mitlaufen zu lassen, d.h., Hefestämme, die beispielsweise in niedriger Glukosekonzentration evolvieren. Das wäre schön gewesen, um das Sukrose-Fass zuzumachen, das heisst, zu zeigen, dass  die Selektion auf Vielzelligkeit wirklich mit der Eigentümlichkeit der extrazellulären Sukroseumwandlung zu tun hat.

Die Arbeit zeigt: Der evolutionäre Pfad von der Ein- zu Vielzelligkeit ist bei geeigneten Umweltbedingungen nicht nur realistisch und möglich, sondern scheint unter manchen Bedingungen geradezu (in Maßen) vorhersagbar.  Die experimentelle Evolution im Labor  ist zwar ein stark vereinfachtes System. In freier Natur dürften die Selektions – und Wachstumsbedingungen selten so konstant sein. Aber gerade durch die kontrollierten Laborbedingungen gelingt es, den Evolutionsprozess auf einige wesentliche Faktoren zu begrenzen und Schritt für Schritt zu verstehen.

 

 

One comment on “Hungrige Hefehaufen

  1. Christian - Alles Evolution Apr 26, 2013 11:04

    Ein interessantes Experiment – Evolution ganz anschaulich umgesetzt. Gerade der Schritt zur Vielzelligkeit

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