Wenn Nahrung knapp wird, kann genetischer Austausch zum Überlebensvorteil werden. Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) zeigen, wie Escherichia coli unter Hungerstress Bakteriophagen und das eigene Abwehrsystem nutzen, um DNA neu zu kombinieren. Der Vorgang ähnelt einer primitiven Form sexueller Fortpflanzung und könnte die Anpassung an veränderte Bedingungen beschleunigen.
Bakterien vermehren sich üblicherweise durch asexuelle Zellteilung. Dabei entstehen aus einer Zelle zwei Tochterzellen. Genetisches Material (freie DNA) können sie aber auch unabhängig davon austauschen, so die Forschenden. Bereits seit den 1990er-Jahren gibt es Hinweise auf Vorgänge, die einer primitiven Form sexueller Fortpflanzung ähneln.
Wie ein solcher Prozess beim Darmbakterium Escherichia coli ablaufen kann, haben nun Pavel Payne und Calin Guet vom ISTA untersucht. Eine entscheidende Rolle spielt dabei ausgerechnet ein System, das Bakterien vor Viren schützt.
Bakterien nutzen CRISPR-Cas
„Der Clou ist, dass die Bakterien CRISPR-Cas nutzen – ein Abwehrsystem gegen Bakterienviren, das später zur Grundlage für Technologien zum Genome-Editing wurde“, sagt Guet. „Es stellt sich heraus, dass Bakterien diese Viren nutzen, um DNA untereinander zu transportieren. Empfängerzellen können diese DNA außerdem in ihr eigenes Genom einbauen und vertikal an ihre Nachkommen weitergeben. Das ist de facto Sex.“
Gemeint ist damit die Neukombination genetischen Materials. Die Vermehrung selbst erfolgt weiterhin durch Zellteilung. Den beschriebenen DNA-Austausch beobachtete das Team, wenn die Bakterien kurz vor dem Verhugnern standen.
Wie Bakterien Gene austauschen
Die Arbeit knüpft an den horizontalen Gentransfer (HGT) an. Dabei wird DNA zwischen Zellen übertragen, statt bei der Zellteilung von einer Eltern- an eine Tochterzelle weitergegeben zu werden. Dafür sind verschiedene Wege bekannt:
- Transformation: Manche Bakterien können freie DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen und in ihr Genom einbauen. Diese Fähigkeit wird als natürliche Kompetenz bezeichnet.
- Konjugation: Genetisches Material wird durch direkten Zellkontakt übertragen. Dabei können auch Antibiotikaresistenzgene weitergegeben werden; häufig sind sogenannte Sexualpili beteiligt.
- Transduktion: Bakterienviren, sogenannte Bakteriophagen, transportieren DNA von einer Bakterienzelle zur nächsten.
Bei diesem dritten Mechanismus setzte das Forschungsteam an. „Hier wurde es interessanter“, sagt Payne.
Viren als Bestäuber
Wenn sich ein Bakteriophage in einer Zelle vermehrt, kann er versehentlich bakterielle DNA statt seines eigenen Erbguts verpacken. Diese Fragmente können anschließend in eine andere Bakterienzelle gelangen.
Für einen häufigen Genaustausch entsteht dabei allerdings ein Problem: Die meisten neu gebildeten Phagen tragen weiterhin ihr eigenes Genom und können weitere empfängliche Zellen infizieren und zerstören. Ohne Schutz könnte die Bakterienpopulation dadurch zusammenbrechen.
Herdenimmunität bei Bakterien
Abwehrsysteme wie CRISPR-Cas können das Erbgut bestimmter Phagen erkennen und angreifen. Payne hatte bereits während seiner Doktorarbeit Hinweise darauf gefunden, dass diese Abwehr auch eine Herdenimmunität innerhalb einer Bakterienpopulation ermöglichen kann.
„Herdenimmunität schützt nicht nur die Bakterien, die das Immunsystem direkt tragen, sondern auch jene, die es nicht tragen“, sagt er. „Die entscheidende Frage war, ob Bakterien diesen Mechanismus nutzen könnten, um ihre DNA neu zu kombinieren – und wenn ja, wie häufig. Wäre das der Fall, hätte dies wichtige Auswirkungen darauf, wie sich Bakterien an veränderte Umgebungen anpassen, überleben und evolvieren.“
Aus gefährlichen Viren werden Helfer
Die Ergebnisse zeigen, dass die Phagenabwehr nicht nur schützt, sondern auch den Austausch genetischen Materials begünstigen kann. Die Viren übernehmen dabei gewissermaßen die Rolle von Bestäubern: Wie Insekten Pollen zwischen Blüten transportieren, bringen sie bakterielle DNA von einer Zelle zur nächsten.
Das kann für die Anpassung einer Population wichtig sein. Vorteilhafte Mutationen entstehen vergleichsweise selten und zunächst in unterschiedlichen Zellen. Durch den Austausch lassen sich solche Varianten zusammenführen, statt darauf zu warten, dass sie unabhängig voneinander in derselben Zelle auftreten.
„Sex ist in der Natur weit verbreitet, weil er Anpassung beschleunigen kann“, sagt Payne. „Darüber hinaus könnte derselbe Mechanismus den Bakterien ermöglichen, schädliche Mutationen aus der Population zu entfernen.“
Hungerstress fördert die Neukombination
Unter günstigen Bedingungen vermehren sich die Bakterien durch Zellteilung. Bei drohendem Nahrungsmangel beobachtete das Team dagegen den beschriebenen sexähnlichen DNA-Transfer. Ein bestimmtes Gen erwies sich als notwendig für den Vorgang und stellt die Verbindung zur Hungerreaktion her.
Der Austausch bleibt laut den Forschenden zwar relativ selten, trat unter den untersuchten Bedingungen aber mehr als hundertmal häufiger auf als spontane Mutationen. Die Immunität gegen Phagen könnte damit stärker zur genetischen Vielfalt und Evolution von Bakterienpopulationen beitragen als bisher angenommen.
„Aus evolutionärer Sicht kann sexuelle Fortpflanzung unter stressreichen Bedingungen besonders vorteilhaft sein“, sagt Payne. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass E. coli unter Hungerstress eine vergleichbare Strategie zur Neukombination von DNA einsetzen kann.“
Die Studie ist unter dem Titel „Herd immunity underlies homologous recombination in stationary phase bacteria“im Journal Molecular Biology and Evolution erschienen.