Bakterien „beziehen“ 90 Prozent ihres genetischen Materials von anderen Arten, mit denen sie nur entfernt verwandt sind. Das haben Forscher der Universität Arizona in Tucson jetzt durch Sequenzvergleiche herausgefunden. Diese Erkenntnis hat eine große Bedeutung für die Biomedizin, denn so ein Gen-Austausch oder lateraler Gentransfer ist der Grund, wieso gefährliche Bakterien plötzlich resistent gegen Antibiotika oder noch ansteckender sind.
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Der Gentransfer kann – so die Wissenschaftler – auf drei verschiedene Arten stattfinden. Am häufigsten erfolgt er durch Bakteriophagen. Das sind Viren, die Bakterienzellen spezifisch attackieren können und ihr eigenes genetisches Material in die Wirtszelle injizieren. Die Phagen-DNA wird automatisch mit verdoppelt, wenn sich die Bakterienzelle teilt. Dabei können Gene aus dem Bakteriengenom in das der neuen Phagen eingebaut werden. Diese modifizierten Organismen injizieren ihr genetisches Material dann wieder in andere Bakterienzellen. So agieren die Bakteriophagen als Shuttle, indem sie DNA von einem Bakterium aufnehmen und in ein anderes überführen.
Die zweite Möglichkeit des Gentransfers besteht nach Angaben der Forscher darin, dass Bakterien mit ihren Nachbarn in Kontakt treten und über winzige Verbindungskanäle DNA-Stücke austauschen. Als dritte Variante können sie genetisches Material von der Umgebung aufnehmen und in ihr eigenes Genom integrieren.
Inwieweit der umfangreiche Einbau von Fremd-DNA noch eine klare verwandtschaftliche Zuordnung in Klassen zulässt, galt lange als Streitfrage unter den Forschern. Viele sind der Meinung, dass es keinen Sinn macht, für Bakterien die traditionellen Stammbäume zu erstellen, weil ihr Genom ein Gemisch aus elterlicher und Fremd-DNA darstellt.
Klassifizierung wichtig für Medizin
Wie wichtig jedoch die Klasseneinteilung von Bakterien für die Medizin ist, erklärt Howard Ochman von der Universität Arizona. „Um wirksame Behandlungsmethoden aufrecht zu erhalten und neue Antibiotika zu entwickeln, müssen wir die Häufigkeit und das Schema des lateralen Gentranfers kennen“, sagt er.
„Wenn man mit Halsentzündung zum Arzt geht, kann der sich ziemlich sicher sein, dass eine Infektion mit Streptokokken die Ursache ist und ein entsprechendes Antibiotikum verschreiben. Wäre es nicht möglich Bakterien so zu klassifizieren, weil sie Gene von überall her haben, wären die Ärzte nicht in der Lage, sofort die richtige Behandlungsmethode zu empfehlen.“
Lateraler Gentransfer kommt nur bei Bakterien vor und ist schon lange bekannt. Aber bisher war unklar, welche Gene von den Elternzellen stammen und welche über lateralen Gentransfer erworben worden sind.
Mehrheit der Gene aus lateralem Gentransfer
Die Wissenschaftler haben ihre Studie an der Gruppe der Gamma-Proteobakterien durchgeführt. Dazu gehören viele für den Menschen pathogene Vertreter, wie Salomonella, Shigella, pathogene Escherichia coli und Pseudomonas. Sie verglichen die verschiedenen Arten anhand von Gensequenzen und errechneten dann Verwandtschaftsgrade. Daraus erstellten sie Stammbäume, bei denen auch die erworbenen Gene mitberücksichtigt wurden. Ein Vergleich mit einem traditionellen Stammbaum, der sich nur auf die ererbten Gene bezog, ergab eine Übereinstimmung zu 95 Prozent. Dies zeigt, dass der laterale Gentransfer kein Hindernis ist, um mithilfe traditioneller Stammbäume auf den Verwandtschaftsgrad zu schließen.
Ochman und sein Team stellten fest, dass die Gamma-Proteobakterien nur 205 von insgesamt 7.205 Genen gemeinsam haben. Die Mehrheit der Gene in dieser Gruppe stammt aus lateralem Gentransfer. „Die meisten sind nur auf ein oder zwei Arten beschränkt“, sagt Ochman. „Aber genau das sind die Gene, die die Unterschiede zwischen den Bakterien ausmachen.“
Ochman meint, dass seine Ergebnisse der Evolutionsforschung von Bakterien neuen Auftrieb geben. „Es wäre interessant, zu sehen, ob in anderen Bakteriengruppen der Gentransfer ebenso weit verbreitet ist“, sagt er.
(University of Arizona, 11.04.2005 – PJÖ)
