Das Salz in der Suppe der Evolution

Biologen erforschen neue Stoffwechselwege und deren Entstehung in Mikroorganismen

24.01.2011 - Deutschland

Mikrobiologen am Institut für Biologie II der Universität Freiburg haben einen bislang unbekannten zentralen Stoffwechselweg in Mikroorganismen entdeckt, mit dessen Hilfe diese Lebewesen unter extremen Salzbedingungen, wie sie zum Beispiel im toten Meer herrschen, leben.

Entgegen landläufiger Meinung ist das tote Meer nicht tot, sondern von Mikroorganismen besiedelt, die vor allem zur Gruppe salztoleranter Archaeen gehören. Archaeen (von griechisch archaĩos „uralt“) zählen zu den ursprünglichsten Lebensformen der Erde und haben insbesondere in extremen Umgebungen überlebt. Eine Freiburger Forschergruppe um Dr. Ivan Berg hat sich mit den Stoffwechselvorgängen in diesen Mikroorganismen beschäftigt, die bisher nicht verstanden waren.

Es war bereits länger bekannt, dass salztolerante Archaeen unterschiedlichste organische Verbindungen als Nahrungsquelle nutzen, um über aktivierte Essigsäure (Acetyl-Coenzym A) die benötigten Zellbausteine und Vitamine zu synthetisieren. Am Beispiel des Mikroorganismus Haloarcula marismortui, konnten Dr. Ivan Berg, seine Kolleginnen Dr. Maria Khomyakova, Özlem Bükmez, sowie die Kollegen Lorenz Thomas und Dr. Tobias Erb erstmals die Details dieses Stoffwechselweges aufklären. Die Freiburger Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science, wie sie mit Hilfe unterschiedlichster biochemischer und mikrobiologischer Methoden den gesamten Reaktionszyklus mit allen Zwischenschritten aufklären konnten. Der komplette Stoffwechselweg wurde nach seinem charakteristischen Schlüsselintermediat „Methylaspartat-Zyklus“ benannt.

Die Freiburger Forschergruppe beschäftigte sich darüber hinaus auch mit der Frage, wie dieser neue Stoffwechselweg entstand, da die Vorfahren salztoleranter Archaeen ihren Lebensstil ändern und den Stoffwechselweg erst „erfinden“ mussten, um sich ihren salzigen Lebensraum zu erschließen. Untersuchungen ergaben überraschenderweise, dass die Gene für diesen Stoffwechselweg von den Vorfahren salztoleranter Archaeen aus anderen Mikroorganismen „zusammengeklaubt“ wurden. Zufällige Gen-Transporte zwischen Organismen sind unter dem Namen „lateraler Gen-Transfer“ schon länger bekannt. Neu ist jedoch, dass der Methylaspartat-Zyklus sich komplett aus alten Genen unterschiedlicher Funktion und völlig unterschiedlicher Stoffwechselwege zusammensetzt. Die zufällige (Neu)-Kombination all dieser Gene in einem Vorfahren salztoleranter Archaeen führte so zu diesem neuen Stoffwechselweg. Die Freiburger Forscher erklären sich diesen Entstehungsprozess damit, dass es schwieriger und langsamer sei, neue Gene zu „erfinden“, als existierende Gene nach dem „Bastelprinzip“ zu kombinieren, um dadurch neue Stoffwechselvarianten zu erzeugen.

Das Bastelprinzip ist unter Biowissenschaftlern als „evolutionary tinkering“ bekannt geworden und soll verdeutlichen, dass die Evolution kein perfekter Ingenieur ist, der von Anfang an alles mit Bedacht plant und genau weiß, was er am Ende erhalten will. Die Evolution erscheint Biologen viel eher als eine Art Bastler, der herumwerkelt, um dringende Probleme irgendwie zu lösen. Bastler benutzen dazu nicht unbedingt neue, maßangefertigte Bauteile (im biologischen Sinne Gene), sondern das, was gerade in Griffnähe und einigermaßen brauchbar ist. Dieses Prinzip gilt auch für die Entstehung neuer Stoffwechselwege unter extremsten Bedingungen, wie die Arbeit von Berg und seinen Kollegen zeigt.