Untersuchung der Rolle des „Blind Dating“ in der Bakterienevolution

Proteine ​​sind die Schlüsselfiguren für praktisch alle molekularen Prozesse innerhalb der Zelle. Um ihre vielfältigen Funktionen zu erfüllen, müssen sie mit anderen Proteinen interagieren. Solche Protein-Protein-Wechselwirkungen werden durch stark komplementäre Oberflächen vermittelt, die typischerweise viele Aminosäuren beinhalten, die genau so positioniert sind, dass sie eine enge, spezifische Passung zwischen zwei Proteinen erzeugen. Allerdings ist vergleichsweise wenig darüber bekannt, wie solche Interaktionen während der Evolution entstehen.

Die klassische Evolutionstheorie geht davon aus, dass sich jedes neue biologische Merkmal, an dem viele Komponenten beteiligt sind (wie die Aminosäuren, die eine Wechselwirkung zwischen Proteinen ermöglichen), schrittweise entwickelt. Gemäß diesem Konzept wird jede winzige funktionale Verbesserung durch die Kraft der natürlichen Selektion vorangetrieben, da mit der Funktion ein gewisser Nutzen verbunden ist. Ob jedoch auch Protein-Protein-Interaktionen immer dieser Bahn folgen, war nicht vollständig bekannt.

Mit einem stark interdisziplinären Ansatz hat ein internationales Team um den Max-Planck-Forscher Georg Hochberg von der Terrestrischen Mikrobiologie in Marburg nun ein neues Licht auf diese Frage geworfen. Ihre Studie liefert eindeutige Beweise dafür, dass hochgradig komplementäre und biologisch relevante Protein-Protein-Wechselwirkungen rein zufällig entstehen können.

Proteine ​​arbeiten in einem Lichtschutzsystem zusammen

Das Forscherteam machte ihre Entdeckung in einem biochemischen System, das Mikroben nutzen, um sich an stressige Lichtverhältnisse anzupassen. Cyanobakterien nutzen das Sonnenlicht, um ihre eigene Nahrung durch Photosynthese herzustellen. Da viel Licht die Zelle schädigt, haben Cyanobakterien einen Mechanismus entwickelt, der als Lichtschutz bekannt ist: Wenn die Lichtintensität gefährlich hoch wird, verändert ein Lichtintensitätssensor namens Orange Carotinoid Protein (OCP) seine Form.

In dieser aktivierten Form schützt OCP die Zelle, indem es überschüssige Lichtenergie in harmlose Wärme umwandelt. Um in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren, sind manche OCPs auf ein zweites Protein angewiesen: Das Fluorescence Recovery Protein (FRP) bindet an aktiviertes OCP1 und beschleunigt dessen Erholung stark.

„Unsere Frage war: Ist es möglich, dass sich die Oberflächen, die es diesen beiden Proteinen ermöglichen, einen Komplex zu bilden, rein zufällig entwickelt haben und nicht durch direkte natürliche Selektion?“ sagt Georg Hochberg.

„Die Schwierigkeit besteht darin, dass das Endergebnis beider Prozesse gleich aussieht, sodass wir normalerweise nicht sagen können, warum sich die für eine Wechselwirkung erforderlichen Aminosäuren entwickelt haben – durch natürliche Selektion für die Wechselwirkung oder durch Zufall. Um sie voneinander zu unterscheiden, würden wir eine Weile brauchen Maschine, um den genauen Zeitpunkt in der Geschichte mitzuerleben, in dem diese Mutationen auftraten“, erklärt Hochberg.

Glücklicherweise haben die jüngsten Durchbrüche in der Molekular- und Computerbiologie Georg Hochberg und sein Team mit einer Art Zeitmaschine im Labor ausgestattet: der Rekonstruktion von Vorfahrensequenzen.

Darüber hinaus eignet sich das Lichtschutzsystem von Cyanobakterien, das in der Gruppe von Thomas Friedrich von der Technischen Universität Berlin seit vielen Jahren untersucht wird, ideal, um das evolutionäre Aufeinandertreffen zweier Proteinkomponenten zu untersuchen. Frühe Cyanobakterien erwarben die FRP-Proteine ​​von einem Proteobakterium durch horizontalen Gentransfer. Letzteres hatte selbst keine photosynthetische Kapazität und besaß nicht das OCP-Protein.

Um herauszufinden, wie sich die Wechselwirkung zwischen OCP1 und FRP entwickelt hat, hat der Doktorand Niklas Steube die Sequenzen alter OCPs und FRPs abgeleitet, die vor Milliarden von Jahren in der Vergangenheit existierten, und diese dann im Labor wiederbelebt. Nach der Übersetzung der Aminosäuresequenzen in DNA stellte er diese mit Hilfe von E. coli-Bakterienzellen her, um ihre molekularen Eigenschaften untersuchen zu können.

Ein glücklicher Zufall

Das Berliner Team testete dann, ob alte Moleküle eine Wechselwirkung eingehen könnten. So konnten die Wissenschaftler nachvollziehen, wie sich beide Proteinpartner kennengelernt haben. „Überraschenderweise passte das FRP aus den Proteobakterien bereits zu dem angestammten OCP der Cyanobakterien, bevor überhaupt ein Gentransfer stattgefunden hatte. Die gegenseitige Kompatibilität von FRP und OCP hat sich also bei verschiedenen Arten völlig unabhängig voneinander entwickelt“, sagt Thomas Friedrich.

Dadurch konnte das Team nachweisen, dass ihre Fähigkeit zur Interaktion ein glücklicher Zufall gewesen sein muss: Selektion hätte die Oberflächen der beiden Proteine ​​nicht plausibel formen können, um eine Interaktion zu ermöglichen, wenn sie sich nie getroffen hätten. Damit wurde endgültig bewiesen, dass sich solche Wechselwirkungen ganz ohne direkten Selektionsdruck entwickeln können.

„Das mag wie ein außergewöhnlicher Zufall erscheinen“, sagt Niklas Steube. „Stellen Sie sich ein außerirdisches Raumschiff vor, das auf der Erde gelandet ist, und wir haben festgestellt, dass es steckerförmige Objekte enthält, die perfekt in von Menschen hergestellte Steckdosen passen. Aber trotz der scheinbaren Unwahrscheinlichkeit könnten solche Zufälle relativ häufig vorkommen. Tatsächlich treffen Proteine ​​jedoch oft auf eine große Anzahl von neuen potentiellen Interaktionspartnern, wenn sich Lokalisations- oder Expressionsmuster innerhalb der Zelle ändern oder wenn neue Proteine ​​durch horizontalen Gentransfer in die Zelle gelangen.“

Georg Hochberg fügt hinzu: „Auch wenn nur ein kleiner Bruchteil solcher Begegnungen produktiv ist, kann zufällige Kompatibilität die Grundlage für einen erheblichen Bruchteil aller Interaktionen sein, die wir heute innerhalb von Zellen sehen. Daher könnte, wie in menschlichen Partnerschaften, eine gute evolutionäre Übereinstimmung bestehen.“ das Ergebnis einer zufälligen Begegnung zweier bereits kompatibler Partner sein.“

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturökologie & Evolution.