Wie Bakterien fremde DNA zähmen

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Die Studie wurde von Dr. Tess Brewer mit einem Stipendium des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) im Labor von PD Dr. Jürgen Lassak durchgeführt und konzentriert sich auf die „Domestizierungsphase” der Evolution – das kritische Zeitfenster nach dem Eindringen eines fremden Gens in eine neue Zelle, aber noch vor dessen vollständiger Integration. Selbst nachdem ein Gen erfolgreich akzeptiert wurde, muss sein Produkt, also die Proteine, für die es kodiert, harmonisch mit den anderen Bausteinen der Zelle zusammenwirken. Die neue Arbeit bietet einen seltenen experimentellen Einblick in diese unmittelbaren Folgen solch eines Gentransfers.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die Proteinbiosynthese – die Fertigungsstraße innerhalb der Zelle, bei der aus Erbinformation Proteine generiert werden. Sie ist ein elementarer Prozess, der in allen Lebensformen hochkonserviert ist. Während der grundlegende Ablauf identisch ist, unterscheiden sich die spezifischen Werkzeuge, die die Übersetzungsarbeit unterstützen, zwischen verschiedenen Bakterienarten deutlich. Eines dieser Werkzeuge, der Elongationsfaktor P (EF-P), greift passgenau in eine Vertiefung des Ribosoms, ähnlich wie ein Schlüssel in ein Schloss. In einigen Bakterien muss dieser Schlüssel durch eine spezifische Modifikation verlängert werden, um passfähig zu sein, während er in anderen ohne Veränderung funktioniert.

Großzügigkeit gegenüber Fehlern ermöglicht Anpassung

Brewer und Lassak stellten sich die Frage, was passiert, wenn ein Bakterium ein fremdes Enzym mit dieser Modifikation aufnimmt. So fanden Brewer und Lassak heraus, dass das Enzym manchmal auf das körpereigene EF-P des Wirts einwirkt und einen Schlüssel produziert, der nicht mehr richtig in das ribosomale Schloss passt. Dieser molekulare Fehler kann das System blockieren, die Funktion von EF-P lahmlegen und zeigt damit das unmittelbare Risiko der Aufnahme fremder DNA auf.

Die Studie deckte jedoch auch eine unerwartete Chance auf: Einige EF-P-Proteine sind bemerkenswert tolerant und funktionieren auch mit einer nicht passenden Modifikation weiter. Diese Toleranz ermöglicht es, dass der Unfall ohne Schaden für die Zelle bestehen bleibt, wodurch die Evolution Zeit hat, aus dem Fehler "zu lernen". Was als deplatzierte Modifikation beginnt, kann sich so schrittweise in eine vorteilhafte neue Anpassung umformen.

Der anfängliche Unfall wird zur dauerhaften Innovation

Die Arbeit verdeutlicht, dass horizontaler Gentransfer ein komplexes Gleichgewicht aus Störung und Chance erzeugt. In einigen Abstammungslinien folgt auf eine Phase anfänglicher Probleme eine Phase der Anpassung, in der sich das „eindringende” Gen von einem Störfaktor zu einem wertvollen Werkzeug wandelt. „Unsere Ergebnisse erweitern unser Verständnis davon, wie sich Bakterien anpassen und innovative Fähigkeiten entwickeln, um eine neue Dimension”, sagt Tess Brewer. „Was als molekulare Unvereinbarkeit beginnt, kann letztendlich zur Entwicklung völlig neuer zellulärer Systeme führen”, fügt Jürgen Lassak hinzu. Die Zusammenarbeit zwischen Brewer und dem Lassak-Labor ist für die Autorenschaft ein Beispiel dafür, wie unabhängige Forschung in den wissenschaftlichen Rahmen der LMU integriert wird, um grundlegende Fragen zur Widerstandsfähigkeit und Innovationskraft des Lebens zu beantworten.