Mikrobielle Evolution gibt Aufschluss über die Geschichte des Lebens
Mikroben spielen in Ökosystemen und für die menschliche Gesundheit eine entscheidende Rolle und haben sich im Laufe der Zeit entwickelt, um zu gedeihen. Die großen Fortschritte bei den Sequenzierungsverfahren liefern jetzt eine Fülle von Daten über die Vielfalt des mikrobiellen Lebens, die Aufschluss darüber geben, wie sie funktionieren und wie sie sich entwickelt haben. „Eine zentrale Frage ist, wie sie Energie produzieren und konservieren“, erklärt EvolPhysiol-Projektkoordinatorin Filipa Sousa(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Wien(öffnet in neuem Fenster). „Während Computer mit Elektrizität betrieben werden, verwenden Lebewesen ATP (Adenosintriphosphat, das Hauptenergiemolekül in Zellen).“ Der Mensch produziert durch das Atmen von Sauerstoff ATP. Einige Mikroben haben jedoch Mechanismen entwickelt, um ATP nicht nur aus Sauerstoff, sondern auch aus anderen Quellen wie Schwefel und Stickstoff zu erzeugen.
Ins Innere der Mikroben vordringen
Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) geförderte EvolPhysiol-Projekt versucht zu ermitteln, auf welche Weise Mikroben gelernt haben, ATP zu produzieren, und wie sich dies im Laufe der Zeit entwickelt hat. Das Projekt richtete sein Augenmerk insbesondere auf Archaeen und Bakterien, zwei Gruppen von einzelligen Mikroorganismen, die bekanntermaßen überall vorkommen. „Unser Hauptanliegen war es, Erkenntnisse über diese Mikroben zu gewinnen“, sagt Sousa. „Wir wollten die globale Vielfalt der Mikroben heute verstehen und in die Vergangenheit zurückgehen.“ Das Projekt baut auf der Tatsache auf, dass Biologie hochgradig modular ist. „Auf verschiedenen Ebenen besteht Leben oft aus Bausteinen, ähnlich wie Lego“, fügt Sousa hinzu. „Proteine können beispielsweise neu organisiert werden, um verschiedene Dinge zu bilden. Dies macht unterschiedliche Funktionen möglich und ermöglicht es Organismen, mit verschiedenen Verbindungen umzugehen. Das Projektteam untersuchte auch Proteine, um Cofaktoren zu identifizieren, die von Organismen häufig wiederverwendet werden. „Das bedeutet, dass sie bei der Weiterentwicklung nicht alles komplett neu erfinden müssen“, erklärt Sousa.
Umfangreiche Genomdatenbanken und Sequenzen
Das Projekt umfasste Tausende von Genomen. Umfangreiche Genomdatenbanken wurden auf ihre Qualität hin überprüft und Sequenzen verglichen, um Proteine zu identifizieren. „Das Interessante daran war, all diese Daten unter Berücksichtigung biologischer und geologischer Aspekte auszuwerten“, erklärt Sousa. Diese Arbeit hat einige sehr unerwartete Ergebnisse zutage gefördert, beispielsweise in Bezug auf den Schwefelkreislauf. Der allgemeine Konsens war, dass Archaeoglobus diese Funktion von Bakterien übernommen haben muss. „Wir haben zwar festgestellt, dass ein wichtiges Enzym, das am Schwefelkreislauf beteiligt ist, wahrscheinlich aus Bakterien stammt, doch der Rest des Stoffwechselwegs ist das Ergebnis einer synonymen Substitution (eine Veränderung der DNA-Sequenz, bei der die produzierte Aminosäuresequenz unverändert bleibt)“, erläutert Sousa.
Identifizierung neuer biotechnologischer Anwendungen
Aufgrund der enormen Datenmenge war es dem Projektteam nicht möglich, alle Daten zu sichten, sodass mehrere Aspekte des Projekts, wie beispielsweise die mikrobielle Vielfalt, noch nicht abgeschlossen sind. „Die Weiterverfolgung der Entwicklung dieser Bausteine ist die Richtung, in der ich weiterarbeiten möchte“ – so Sousa. „Ich bin der Ansicht, dass es in der Natur des Menschen liegt, wissen zu wollen, woher er kommt.“ Sousa weist darauf hin, dass unser Planet – dessen Alter auf etwa 4,5 Milliarden Jahre geschätzt wird – einst nur von archaealen Bakterien bevölkert war. Das Verständnis darüber, wie diese Mikroben sich gemeinsam mit der Umwelt entwickelt haben, kann uns viel über unsere ferne Vergangenheit verraten und möglicherweise auch für unsere Zukunft von Nutzen sein, indem neue biotechnologische Anwendungen erschlossen werden. „Je mehr wir über sie wissen, desto besser können wir es zu unserem Vorteil nutzen“, fügt sie hinzu.
