Ein neues Verständnis der Natur: Wissenschaftler haben entdeckt, dass die Evolution nicht so chaotisch ist, wie sie schien
Der Zufallscharakter der genetischen Mutationen bedeutet, dass die Evolution weitgehend unvorhersehbar ist. Jüngste Untersuchungen zeigen jedoch, dass dies nicht ganz richtig ist. Wenn dies zutrifft, müssen wir unser Verständnis von Natur ändern.
Dies wird in PNAS berichtet.
Details zur Eröffnung
Eine neue Studie deutet darauf hin, dass Wechselwirkungen zwischen Genen eine größere Rolle als erwartet spielen, wenn es darum geht, wie sich ein Genom verändert. Es ist bekannt, dass einige Teile des Genoms anfälliger für Mutationen sind als andere, aber auch die Evolutionsgeschichte einer Art kann eine Rolle dabei spielen, die Vorhersagbarkeit von Mutationen zu erhöhen.
“Die Implikationen dieser Forschung sind revolutionär. Indem wir gezeigt haben, dass die Evolution nicht so zufällig ist, wie wir bisher dachten, haben wir die Tür zu einer Fülle von Möglichkeiten in der synthetischen Biologie, der Medizin und der Umweltwissenschaft geöffnet”, sagt James McInerney, Evolutionsbiologe an der Universität von Nottingham.
Alan Beavan, Biologe an der Universität Nottingham, und seine Kollegen untersuchten mit Hilfe künstlicher Intelligenz mehr als 2.000 vollständige Genome des Bakteriums Escherichia coli, das im Darm von Warmblütern lebt.
Bakterien sind besonders clever, wenn es darum geht, ihre DNA zu verändern. Sie sind ziemlich geschickt darin, Gene aus der Umwelt zu stehlen und in ihr Genom einzubauen. Dieser Prozess, der als horizontaler Gentransfer bekannt ist, verschafft Bakterien freien Zugang zu neuen Eigenschaften wie Antibiotikaresistenz, ohne dass sie auf die Wirkung der Selektion nach mehreren Generationen warten müssen.
Interessanterweise können horizontal übertragene Gene, die zur gleichen Basengruppe gehören, an verschiedenen Stellen im bakteriellen Genom landen. Durch die Untersuchung von horizontalen Genen an verschiedenen Orten konnten die Forscher feststellen, wie sie von der unmittelbaren Umgebung der Gene beeinflusst werden. Sie konnten das Gedankenexperiment des berühmten Evolutionsbiologen Stephen Gould testen: Das Abspielen des Bandes der Evolutionsgeschichte würde jedes Mal zu einem anderen, unvorhersehbaren Ergebnis führen, da Evolutionswege von unvorhersehbaren Ereignissen abhängen.
Wäre dies der Fall, würde sich das Bakteriengenom nach dem Erwerb eines neuen horizontalen Gens chaotisch weiterentwickeln. Die künstliche Intelligenz hat jedoch Muster der Vorhersagbarkeit in diesen Tausenden von “Bandwiederholungen” identifiziert, die auf diese Ereignisse des Generwerbs folgen.
“Wir fanden heraus, dass einige Genfamilien nie im Genom auftauchten, wenn eine bestimmte andere Genfamilie bereits vorhanden war, und in anderen Fällen waren einige Gene sehr stark vom Vorhandensein einer anderen Genfamilie abhängig”, erklärt die Forscherin Maria Rosa Domingo-Sananes von der Universität Nottingham.
So kann die Geschichte eines Genoms, d. h. die Anzahl der Gene, die es zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, bestimmen, welche Gene es in Zukunft haben wird oder nicht. Wissenschaftler haben bereits früher Anzeichen dafür gesehen, wenn Gene, die auf genetischen Molekülen räumlich eng beieinander liegen, gemeinsam verloren oder hinzugewonnen wurden – verbundene Gene. Dies geschah aber auch mit Genen, die in den bakteriellen Genomen keine enge physische Verbindung hatten.
Einige Aspekte der Evolution sind deterministisch, d. h. sie treten wahrscheinlich jedes Mal auf, wenn wir ein Band abspielen. Das Vorhandensein oder Fehlen eines Gens kann nur auf der Grundlage anderer Gene im Genom vorhergesagt werden. So kann beispielsweise ein hypothetisches Gen A das Vorhandensein von Gen B nur dann vorhersagen, wenn das Gen C fehlt,
– bestätigen Bevan und das Team in ihrem Artikel.
Dies verstößt nicht gegen die Regel der Zufallsmutationen, sondern bedeutet vielmehr, dass die Kräfte der natürlichen Selektion auch auf molekularer Ebene wirken, und bis vor kurzem hatten wir nicht die Rechenleistung, um dies vollständig zu erkennen. Das Genom selbst ist ein eigenes mikroskopisches Ökosystem, in dem sich die Gene gegenseitig helfen oder behindern können.
Auf der Grundlage dieser Arbeit können wir untersuchen, wie Gene zum Beispiel Antibiotikaresistenzen aufrechterhalten, und in Zukunft Medikamente für Krankheiten entwickeln, die derzeit nicht behandelbar sind.
