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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)

Quanten-Darwinismus: Das Evolutionsprinzip jetzt auch bei Quanten nachgewiesen.

(prcenter.de) Die fundamentalen Prinzipien der Evolution gelten offenbar auch für die kleinsten Teilchen der Materie. Wissenschaftler fanden, dass sich nur die „fittesten“ Partikel durchsetzen und ihren eigenen „Nachwuchs“ erzeugen. Da diese Eigenschaft „universell“ gilt, könnte die Entstehung von Leben im Kosmos eher die Regel als die Ausnahme sein.
Die Entdeckung der Physiker Prof. Friedemar Kuchar und Dr. Roland Brunner von der österreichischen Montanuniversität Leoben darf ohne Übertreibung als wissenschaftliche Sensation bezeichnet. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen von der Arizona State University in den USA untersuchten sie so genannte Quantenpunkte von Halbleitern. Quantenpunkte sind kleinste Nanostrukturen, für die auf Grund ihrer geringen Größe nicht die Gesetze der klassischen Physik, sondern vielmehr die Regeln der Quantenmechanik gelten.

Bei der Messung der Energiewerte der Quantenpunkt stieß er auf einen seltsamen Effekt. Werden diese Zustände der Elektronen gemessen, dann vermischen sich die Zustände der Elektronen zum Teil miteinander, aber auch mit jenen der Umgebung. Das hat wiederum zur Folge, dass sie energetisch „verschmiert“ werden. Einige der ursprünglichen Zustände erwiesen sich jedoch als robust und behielten ihre Energiewerte. Diese so genannten „Pointer-Zustände“ konnten bisher für einzelne Quantenpunkte nachgewiesen werden.

Das Verblüffende: Wie das Team berichtet ist es gelungen, deutliche Hinweise auf einen Quanten-Darwinismus zu finden. Dahinter verbirgt sich die Idee, dass bei einer Wechselwirkung mit der Umgebung nur die „stärksten“ Zustände, eben die Pointer-Zustände, stabil bleiben und diese die Eigenschaft haben, „Nachwuchs“ zu produzieren. Zum Nachweis dieses Postulats berechnete die Gruppe um Dr. Brunner und Prof. Kuchar die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen im System mehrerer Quantenpunkte in Serie.
Wie die Wissenschaftler weiter berichten, scheint es bereits auf Quantenebene eine Art von Beziehungsleben zu geben. Dieser Quanten-Darwinismus soll wiederum für die Selektion und Fortpflanzung quantenmechanischer Zustände verantwortlich sein, die wiederum erst die Wahrnehmung unserer Realität ermöglichen.
Das Postulat eines Quanten-Darwinismus ist nicht ganz neu. Als geistiger Vater gilt der US-Forscher Wojciech H. Zurek vom Los Alamos Laboratory in New Mexico, der als erster diese Idee hatte. Der gelungene experimentelle Nachweis dieses Phänomens unterstreicht wieder einmal in aller Deutlichkeit, die Bedeutung von Visionären in der Wissenschaft.
Dass der Quanten-Darwinismus ein fundamentales Prinzip des gesamten Universums sein dürfte, wird auch in dem vor wenigen Monaten erschienenen Buch “Die geheime Physik des Zufalls: Quantenphänomene und Schicksal – Kann die Quantenphysik paranormale Phänomene erklären?” diskutiert. Dort wird unter anderem veranschaulicht, wie sich Quantenzustände mit ihren gespeicherten Informationen unter anderem in den ersten Genen verwirklicht haben, woraus sich wiederum Konsequenzen für die vielfältigen Möglichkeiten außerirdischen Lebens ziehen lassen.

Linktipps:
Haben die kleinsten Bausteine der Materie Bewusstsein?
Quantenphysiker sind dem Jenseits auf der Spur
Können bewusste Quanten schwarze Löcher am CERN verhindern?
Warum eine kleine Mieze Quantenphysiker wahnsinnig macht

Ethisch korrekte Stammzellen jetzt aus Hodengewebe?

Video: Ausschnitt aus einer Patientendokumentation zur Stammzellentherapie. Aufgenommen im XCell-Center.

Ethisch unproblematischer Weg zu individueller Zelltherapie – Veröffentlichung in “Nature”

Stammzellen aus Embryonen können sich noch in alle Gewebe eines Lebewesens zur Bildung von Herz, Leber, Blut, Gehirn und Haut differenzieren – schließlich entsteht der ganze Organismus aus einer befruchteten Eizelle. Will man die aus dem Embryo gewonnenen Stammzellen vom Menschen in der Forschung oder zur Entwicklung von medizinischen Therapien nutzen, stellen sich viele ethische Probleme. Denn bei der Gewinnung der Stammzellen stirbt der Embryo ab. Wissenschaftler suchen daher nach anderen Alternativen zur Herstellung von Stammzellen: Auch im Körper von Erwachsenen bleiben lange oder sogar lebenslang hochflexible Zellen erhalten, damit sich bestimmte Gewebe auch in höherem Alter erneuern können. Solche Zellen, die man ohne größere Verletzungen aus dem Körper von Erwachsenen gewinnen kann, wollen Wissenschaftler als sogenannte adulte Stammzellen nutzbar machen. Nun ist es Forschern der Universität und des Universitätsklinikums Tübingen unter der Leitung von Prof. Thomas Skutella und seinem Team der Abteilung für experimentelle Embryologie gelungen, stabile Stammzellen aus Spermatogonien des menschlichen Hodengewebes von Erwachsenen zu generieren und in Zusammenarbeit mit Prof. Arnulf Stenzl und einer ganzen Reihe von Wissenschaftlern der Universität Tübingen und mit Kölner und Londoner Forschern im Vergleich zu humanen embryonalen Stammzellen zu charakterisieren. Die menschlichen adulten Stammzellen verhielten sich in Tests fast genauso wie die embryonalen Stammzellen und ließen sich in alle drei Keimblätter der Körpergewebe differenzieren. Nach Einschätzung der Wissenschaftler eröffnet ihre Methode der Gewinnung von adulten Stammzellen in Zukunft eventuell einen einfachen und ethisch unumstrittenen Weg zu individuellen Zelltherapien.

Die Zellen aus dem Hodengewebe, an denen die Wissenschaftler geforscht haben, wurden durch eine routinemäßige Gewebeentnahme bei erwachsenen Männern gewonnen. Diese Zellen stellen unter normalen Bedingungen Spermatozyten, und später die Spermien her. Die Wissenschaftler haben das Gewebe einer besonderen Selektionsmethode unterzogen, um die flexiblen, spermienbildenden Zellen gezielt aus dem restlichen Körpergewebe zu isolieren. Dann entwickelten sie optimale Kulturbedingungen, unter denen die Zellen nicht ihr gewohntes Programm zur Bildung von Spermien durchlaufen, sondern eine weit größere Umprogrammierung vornehmen. Außerdem musste sichergestellt werden, dass sich die Zellen mit den wertvollen Stammzelleigenschaften gut vermehren und stabile Zellkulturen bilden konnten. Dabei muss zum Beispiel erprobt werden, welche Wachstumsfaktoren in welcher Menge benötigt werden.

Unter den Versuchsbedingungen im Labor erwiesen sich die aus Hodengewebe gewonnenen adulten Stammzellen als fast genauso vielseitig wie embryonale Stammzellen und konnten ganz unterschiedliche Zell- und Gewebetypen bilden. Getestet wurde die Methode an insgesamt 22 Hodengewebeproben von verschiedenen Männern. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die einzelnen Schritte ihrer Vorgehensweise weiter optimieren lassen. Doch der Aufwand könnte sich lohnen, denn die adulten menschlichen Stammzellen haben gegenüber den embryonalen Stammzellen einige bestechende Vorteile: Zum einen sind sie wegen ihrer unkomplizierten Gewinnung ethisch nicht umstritten. Zum anderen könnte man sie für die Behandlung von Krankheiten für jeden Patienten individuell mit dem eigenen Erbgut und hundertprozentig passenden Gewebemerkmalen herstellen. Dadurch werden sie vom Immunsystem nicht abgestoßen. Eine ähnliche pluripotente Stammzellquelle ist bei Frauen bisher nicht entdeckt worden. Bis Stammzellen tatsächlich zur Therapie von Erkrankungen eingesetzt werden können, ist es noch ein weiter Weg. Doch ein wichtiger Schritt dorthin könnte mit den neuen Forschungsergebnissen erreicht sein.

Quelle: idw/Veröffentlichung: Conrad et al., “Generation of pluripotent stem cells from adult human testis”, Nature, Online-Vorabveröffentlichung