Rekordbrecher! 8. Au├čerirdischer Planet, gefunden um entfernten Stern

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität von Arizona hat einen Instant-Replay-Schalter für die Evolution entwickelt. Die Technik, die als Ahnen-Gen-Wiederauferstehung bekannt ist, fügt alte Gene in moderne E. coli-Bakterien ein. Es gibt Forschern die Möglichkeit, die Entwicklung der Evolution immer wieder neu zu beobachten und Einblicke in die Entwicklung des Lebens auf der frühen Erde zu geben und wie es möglicherweise auf anderen Planeten aussehen könnte.

"Organismen funktionieren gut, auch wenn sie mit einem essentiellen Gen, das über 700 Millionen Jahre alt ist, entwickelt wurden", sagt Betul Kaçar, Erstautor der Studie an der Universität von Arizona, Astrobiologie. "Diese Arbeit ist ein Beweis für das Konzept. Die nächsten Fragen sind: Wie weit können wir zurück gehen? Und würden wir erwarten, dass die Sequenzen sich genauso entwickeln und funktionieren wie sie? Nur weil Sequenzen ähnlich sind, bedeutet das nicht das Gen wird auf die gleiche Weise funktionieren. "

Kaçar und Kollegen veröffentlichten ihre Arbeit im Journal of Molecular Evolution.

Im Jahr 1989 schlug der berühmte Evolutionsbiologe Stephan J. Gould ein Gedankenexperiment vor: Wenn man die Zeit zurückspulen und die Evolution wieder von vorne beginnen könnte, würde das Endergebnis dem Leben auf der Erde ähneln, so wie wir es kennen. Jahrzehntelang blieb die Idee, "das Band des Lebens wiederzugeben", eine rein theoretische Frage und ein Nährboden für endlose Debatten unter Wissenschaftlern. Im Zentrum der Debatte steht die Spannung zwischen Zufall und Determinismus, um zu verstehen, wie die Vergangenheit eines Organismus seine Zukunft einschränkte. [Fotos: Die ältesten Organismen der Erde]

Die Entwicklung der rekombinanten DNA-Technologie, die ein Gen aus einem Organismus aufnimmt und in das Genom eines anderen einfügt, bietet Forschern die Möglichkeit, Goulds Frage experimentell zu beantworten. Kaçar arbeitete mit ihrem Postdoc-Berater Eric Gaucher an der Georgia Tech an einem von der NASA finanzierten Projekt, um die Evolution immer wieder mit dem Labor-Arbeitspferd-Bakterium E. coli zu wiederholen. Kaçar würde E. coli nicht von Grund auf neu entwickeln, sondern die Evolution eines spezifischen Schlüsselproteins zurückspulen, das die Bakterien zum Überleben benötigen.

Ein uraltes Werkzeug zum Aufbau von Proteinen

Im Jahr 2008 rekonstruierte Kaçar die 500 Millionen Jahre alte Sequenz eines wichtigen bakteriellen Gens namens Elongation Factor-Tu (EF-Tu), das dabei hilft, Aminosäurebausteine ÔÇőÔÇőzu voll ausgebildeten Proteinen zu verbinden. Diese Version von EF-Tu entstand kurz nach der Kambrischen Explosion, als das Leben immer komplexer wurde. Als ribosomales Protein befand es sich im Herzen der Zelle, die auf das Funktionieren dieses Proteins für sein Überleben angewiesen war.

Das alte EF-Tu-Gen unterschied sich an 28 Stellen von seinem modernen Gegenstück in E. coli. Da diese Bakterien ohne EF-Tu nicht überleben können, war Kaçars erste Aufgabe zu sehen, ob das archaische Gen sogar in modernen E. coli funktionieren könnte. Sie ersetzte die beiden Kopien von EF-Tu durch eine einzige alte Version und wartete.

"Das Gen war wie Rip Van Winkle - es musste lernen, sich anzupassen, wenn sich alles um ihn herum verändert hat", sagt Kaçar.

Das altmoderne Hybridbakterium konnte wachsen, aber seine Zeitreise ging um den Preis von zwei Dritteln der evolutionären Fitness, gemessen an der Wachstumsrate des Bakteriums. Mit diesem dramatischen Rückgang könnte die darwinistische Evolution die Bühne betreten und anfangen, an den Tausenden von Genen in den Bakterien herumzubasteln. Kaçar schuf sechs verschiedene Populationen dieser Hybridbakterien und ließ sie dann für 2.000 Generationen im Labor wachsen. Jede dieser Populationen lieferte ein potentielles neues Ende für die Evolution.

Mit Ausnahme einer der Bakterienpopulationen von Kaçar entwickelten sich die E. coli mit ihrem Inter-EF-Tu-Gen auf identische Weise. Anstatt das EF-Tu-Gen selbst zu verändern, erhöhten die Zellen die Menge an EF-Tu-Protein, die sie produzierten, um mit der reduzierten Funktion fertig zu werden. Von all den Millionen von möglichen Lösungen, die die Bakterien hätten finden können, schienen sie sich weitgehend auf demselben zu befinden. Kaçar nennt diese Steigerung der Produktion von minderwertigen Proteinen das "Notfallreaktionssystem" eines Organismus. Ungeachtet ihrer Einfachheit funktionierte die Änderung. Die Erhöhung der Menge des alten EF-Tu-Proteins half, die bakterielle Fitness wiederherzustellen.

Aber das bedeutet nicht, dass dies die einzig möglichen Lösungen für das Problem sind. Kaçar begann ihre Experimente mit nur sechs verschiedenen Populationen von E. coli. In der freien Natur hätte die natürliche Selektion die Nachkommen von Millionen verschiedener Organismen formen können. Auch 2.000 Generationen sind ein evolutionärer Wimpernschlag. Da alle sechs Linien von Bakterien auf diese Lösung trafen, glaubt Kaçar, dass die Erhöhung der Menge an falsch angepasstem Protein eine vorübergehende Maßnahme sein könnte, bis eine bessere Mutation entsteht.

Erweiterung der Forschung

Kaçar hat ihre Linien weiter vergrößert, um zu sehen, welche Entwicklung als nächstes kommen könnte. Sie hat auch damit begonnen, ähnliche Experimente an Cyanobakterien und Proteinen durchzuführen, die für die Photosynthese von zentraler Bedeutung sind, darunter Rubisco, das atmosphärisches Kohlendioxid in Glukose umwandelt. Kaçars Arbeit an Rubisco wurde zuvor vom Astrobiology Magazine abgedeckt.

Die Bedeutung dieser Arbeit, sagt Kaçar, ist nicht nur für das Leben auf diesem Planeten relevant. Zu wissen, wie das Leben durch seine Ausgangsmaterialien eingeschränkt ist oder nicht, könnte Wissenschaftlern viel darüber sagen, wie das Leben auf anderen Planeten aussehen könnte, sagt sie dem Astrobiology Magazine. Die alte Gen-Auferstehung kann Wissenschaftlern auch sagen, wie sich das Leben in Zukunft an ein sich veränderndes Klima und andere anthropogene Veränderungen anpassen könnte.

"Diese Arbeit wird uns helfen, die Grenzen des Lebens zu verstehen, indem wir synthetische Biologie und Evolutionsbiologie kombinieren", sagt sie. "Auf diese Weise können wir breitere Probleme in der Astrobiologie bezüglich der Verteilung des Lebens angehen."

Die Arbeit wurde von der NASA Astrobiologie durch das Exobiology & Evolutionary Biology Programm, einem NASA Early Career Research Award und einem NASA Astrobiology Institute Postdoctoral Fellowship unterstützt.