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Wie das Tempo der Evolution für Resistenzen sorgt.

Video: Genmutation

Max-Planck-Forscher messen erstmals, wie schnell sich das Erbgut verändert. Ihre Erkenntnisse erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren.

Mutationen sind das Rohmaterial der Evolution. Schon Charles Darwin hatte erkannt, dass Evolution nur funktionieren kann, wenn es vererbbare Unterschiede zwischen Individuen gibt: Wer besser an die Umwelt angepasst ist, hat größere Chancen, seine Gene weiterzugeben. Eine Art kann sich daher nur weiterentwickeln, wenn sich das Erbgut permanent durch neue Mutationen verändert und die jeweils vorteilhaftesten Veränderungen in der Selektion bestehen. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen haben nun erstmals direkt die Geschwindigkeit des Mutationsprozesses in Pflanzen gemessen. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf einen grundlegenden Vorgang der Evolution und erklären zum Beispiel, warum Unkrautvernichtungsmittel oft innerhalb weniger Jahre ihre Wirkung verlieren. (Science, 1. Januar 2010)

“Während die langfristigen Auswirkungen von Erbgutmutationen auf die Evolution gut verstanden sind, war bislang weitgehend unbekannt, wie schnell solche Veränderungen auftreten”, erläutert Studienleiter Detlef Weigel, Direktor am Max-Planck-Institut in Tübingen. So ist es gängige Praxis, das Erbgut verwandter Tier- und Pflanzenarten zu vergleichen. Mutationen aber, die in den Jahrmillionen seit der Trennung dieser Arten wieder verlorengegangen sind, bleiben dabei unberücksichtigt. Weigel und seine Mitarbeiter interessierten sich nun dafür, wie die Handschrift der Evolution aussieht, bevor die Selektion eingreift. Hierfür verfolgten sie die genetische Entwicklung von fünf Linien der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana über 30 Generationen hinweg. Im Erbgut der letzten Generation untersuchten sie dann, welche Unterschiede sich im Vergleich mit den Ausgangspflanzen ergeben hatten.

Wie der aufwändige Vergleich des gesamten Genoms ergab, waren in nur wenigen Jahren in jeder der fünf Linien im Durchschnitt 20 einzelne DNA-Bausteine – so genannte Basenpaare – verändert worden. “Die Wahrscheinlichkeit, mit der ein beliebiger Buchstabe des Genoms innerhalb einer Generation verändert wird, liegt demnach bei rund sieben Milliardsteln”, rechnet Detlef Weigel vor. Anders ausgedrückt, hat ein Keimling im Durchschnitt knapp eine Neumutation in jeder der beiden Erbgutkopien, die er jeweils von der mütterlichen und väterlichen Seite mitbekommen hat. Diese winzigen Veränderungen im rund 120 Millionen Basenpaare umfassenden Genom von Arabidopsis zu finden, vergleicht Weigel mit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen: “Die Mutationen aufzuspüren, war nur mithilfe neuer Methoden möglich, mit denen sich das komplette Erbgut einer Pflanze in kurzer Zeit erfassen lässt”. Dennoch war der Aufwand für die Experimente gewaltig: Um echte Neumutationen zuverlässig von Experimentierfehlern unterscheiden zu können, buchstabierten die Wissenschaftler jedes untersuchte Genom 30-mal vollständig durch.

Hohe Variabilität des Genoms

Angesichts der Genomgröße mag die Zahl der Neumutationen zunächst sehr gering erscheinen. Berücksichtigt man jedoch, dass dieser Prozess bei allen Individuen einer Art parallel abläuft, dann erweist sich das genetische Material insgesamt als erstaunlich plastisch: In nur 60 Millionen Arabidopsis-Individuen ist jede Position des Genoms im Durchschnitt einmal mutiert. Für eine Art, die Tausende von Samen in jeder Generation produziert, wahrlich keine große Anzahl von Pflänzchen.

Neben der Geschwindigkeit, mit der Neumutationen auftreten, wirft die Tübinger Studie ein neues Licht auf deren Verteilung im Genom. So stellten die Wissenschaftler fest, dass nicht alle möglichen Mutationsklassen gleichmäßig auftreten. Bei vier verschiedenen Arten von Basenpaaren im Genom gibt es sechs Möglichkeiten der Veränderungen – aber eine dieser sechs ist für die Hälfte aller Mutationen verantwortlich. Auch lässt sich nun genauer kalkulieren, wann sich die Entwicklungslinien verschiedener Arten voneinander getrennt haben – gut möglich daher, dass Stammbäume an neue zeitliche Maßstäbe angepasst werden müssen. Detlef Weigel geht anhand der neuen Daten etwa davon aus, dass Arabidopsis thaliana sich von ihrer Schwesterart Arabidopsis lyrata, die in vielen Merkmalen sehr unterschiedlich ist, nicht wie bisher angenommen erst vor fünf Millionen, sondern bereits vor 20 Millionen Jahren getrennt hat. Entsprechende Untersuchungen an anderen Arten könnten ebenfalls Neujustierungen nötig machen – etwa bei der Frage, zu welchem Zeitpunkt in der Ur- und Frühgeschichte verschiedene Haustiere und Ackerpflanzen domestiziert wurden.

Hohe Mutationsrate fördert Resistenzen gegen Herbizide

Auch für die Pflanzenzüchtung ergeben sich neue und Erfolg versprechende Gedankenexperimente. Bei genügend großen Populationen kann davon ausgegangen werden, dass nahezu jede mögliche Mutation im Verlauf einer oder weniger Generationen realisiert wird. Das bedeutet, dass spontan auftretende Mutationen, die den Ertrag steigern oder Pflanzen gegen Dürre unempfindlich machen, vermutlich gar nicht so selten sind, auch wenn das Auffinden geeigneter Veränderungen immer noch sehr aufwändig bleibt. Auf der anderen Seite treffen Herbizide, die auf große Flächen ausgebracht werden, auf eine umfangreiche Population von Unkräutern. Da deren Erbgut mit großer Wahrscheinlichkeit ähnlich wandlungsfreudig ist wie das der Ackerschmalwand, verwundert es nicht, dass Herbizidresistenzen innerhalb von wenigen Jahren auftauchen. “Dieser Effekt ist auch deshalb besonders deutlich ausgeprägt, weil Herbizide oft nur die Funktion eines einzelnen Gens beeinträchtigen”, sagt Detlef Weigel. Ein Ausweg wäre die Suche nach Herbiziden, die auf mehrere Gene wirken.

Die Tübinger Biologen gehen davon aus, dass auch das menschliche Genom einer ähnlich schnellen Veränderung unterworfen ist. “Wenn man unsere Ergebnisse auf den Menschen überträgt, dann finden von einer Generation zur nächsten durchschnittlich 60 Basenaustausche statt”, rechnet Weigel vor. Bei mehr als sechs Milliarden Menschen, die derzeit auf der Erde leben, bedeutet das, rein statistisch betrachtet, dass es für jede Stelle des Erbguts Dutzende von Erdbewohnern gibt, bei denen diese Position mutiert ist. “Alles, was genetisch möglich ist, wird demnach innerhalb recht kurzer Zeit durchgetestet”, resümiert Detlef Weigel und beschreibt damit einen völlig neuen Blick auf die Evolution, der man sonst eher ein Arbeitstempo zuschreibt, das sich in Jahrtausenden oder gar Jahrmillionen bemisst.

Originalpublikation
The rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in Arabidopsis thaliana. Science, 1. Januar 2010. (Quelle: idw)

Künstliche Lebewesen aus der Retorte

Die synthetische Biologie ist ein junger Forschungszweig, der sich anschickt, in einer Art zweiter Schöpfung nach vier Milliarden Jahren ein künstliches Lebewesen aus der Retorte zu erschaffen. Forscher wie Tom Knight, Drew Endy und Randy Rettberg (MIT Cambridge, USA) entwerfen nach dem Legoprinzip zunächst modulare biologische Bausteine die sogenannten »BioBricks«. Diese Biobricks erfüllen definierte biologische Aufgaben, analog den elektronischen Schaltkreisen, wie sie in Mikroprozessoren (Computer) zu finden sind.

Biobricks befinden sich in der experimentellen Phase und werden bereits in die »Baupläne des Lebens« von Bakterien eingebaut. In ersten Erfolgen hat die kalifornische Firma LS9 das Darmbakterium Escherichia coli reprogrammiert. Nun erzeugt das Bakterium Biosprit aus Mais-Sirup und Zuckerrohr.

Als Bauplan des Lebens oder DNA bezeichnet man ein in allen Lebewesen vorkommendes Biomolekül, welches die komplette Erbinformation (Genom) trägt. DNA besteht aus zwei parallelen Strängen, die einander schraubenartig umlaufen (Doppelhelix). Die Stränge sind durch Sprossen miteinander verbunden. So eine Sprosse wird als Basenpaar bezeichnet, weil sie aus zwei sich ergänzenden Basen und einer Wasserstoffbrücke gebildet wird. Chemisch gesehen handelt es sich bei der Base um ein Nukleotid, welches zu den vier Gruppen der Biomoleküle gehört. Ein Basenpaar stellt die unterste Informationseinheit der DNA dar und entspricht zwei Bit herkömmlicher Information. Die Abschnitte der DNA, welche die Information über die einzelnen Erbanlagen enthalten, werden Gene genannt. Bei Katzen kann beispielsweise ein Gen das Merkmal kurzer oder langer Schwanz bedeuten, ein anderes Gen braunes oder weißes Haar. Menschen besitzen ca. 25.000 Gene mit 3 Billionen Basenpaaren, ein Bakterium 500 bis 7000 Gene mit 1 – 10 Millionen Basenpaaren.

Video: Craig Venter (in englisch)

Schöpfung oder bekanntes Verfahren?

Einer, dem es kürzlich gelungen ist, das komplette Erbgut eines Bakteriums im Labor synthetisch herzustellen und zusammenzusetzen, ist der US-amerikanische Biochemiker Craig Venter. Venter hatte sich bereits früher einen Namen gemacht, als er im Jahr 2000 das menschliche Genom entschlüsselte. Auch wenn die Synthese von DNA unter den Forschern als allseits bekanntes Verfahren gilt, ist das von Venter erzeugte synthetische Genom mit rund 500.000 Basenpaaren nach seinen Angaben zwanzig Mal größer als alles, was man bisher zusammenhängend produziert hat.

Im nächsten Schritt will Venter das synthetische Genom in eine lebende Bakterienzelle einschleusen. In dieser soll es anstelle des natürlichen Genoms die Kontrolle übernehmen. Dadurch würde er nach seiner Ansicht einen neuen künstlich hergestellten Organismus schaffen. Das wäre ein Durchbruch gegenüber der herkömmlichen Gentechnologie, die nur einzelne Gene verändern kann, aber nicht ganze Gen-Systeme.

Komplette biologische Systeme nach Maß

Noch einen Schritt weiter geht das Zusammenstellen kompletter biologischer Systeme aus Biobricks nach Maß. Die Forscher am Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben, um das Ziel zu erreichen, schon mehr als zweitausend Biobricks in einer Datenbank gesammelt. Wie Elektroingenieure ein Schaltbild aus elektronischen Komponenten am Reißbrett zeichnen, wollen die MIT-Zellingenieure nun aus den Genabschnitten der Biobricks komplette Gen-Systeme zusammenstellen. Das so entworfene Genom wird nach Plan produziert und anschließend sollen leere Zellhüllen mit dem künstlichen Erbgut bestückt werden. Das auf diese Weise künstlich geschaffene »Lebewesen« soll dann die geplanten Substanzen produzieren, beispielsweise Biokraftstoffe, Medikamente oder Biokunststoffe.

Kritiker wie Professor André Rosenthal sind allerdings der Ansicht, dass man von der Schaffung künstlichen Lebens noch Jahrhunderte entfernt ist. Rosenthal ist Leiter der Signature Diagnostics AG in Potsdam, die Gen-Tests zur Krebs-Früherkennung erstellt. Auch wenn das Genom synthetisiert werden kann, ist doch die Hülle der Zelle nicht künstlich hergestellt und das ist für ihn entscheidend. Nach seiner Meinung wäre Craig Venters Arbeit nur interessant, wenn er eine künstliche Zelle mit den entsprechenden Zellorganellen im Reagenzglas erzeugen könnte. Wie die Zeitschrift »Bild der Wissenschaft« in ihrer Ausgabe 3/2009 berichtet, gibt es aber bereits Ansätze zur Erschaffung einer kompletten funktionstüchtigen Zelle einschließlich Hülle, wenn auch noch ein langer Weg vor den Forschern liegt. – Klaus-Dieter Sedlacek

Der Autor ist Verfasser des Buchs »Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen«. In dem Buch wird unter anderem der Zusammenhang zwischen den fundamentalen Bausteinen der Welt und Bewusstsein aufgedeckt.