Das Wettrüsten zwischen Bakterien und Viren bietet einen seltenen Einblick in die schnelle und komplexe Evolution

Wie Charles Darwin im 19. Jahrhundert vorstellte, ist Evolution ein langsamer, schrittweiser Prozess, bei dem Artenanpassungen schrittweise über Generationen hinweg vererbt werden. Heute können Biologen jedoch beobachten, wie sich evolutionäre Veränderungen in viel schnelleren Zeitskalen abspielen.

Anstelle der eindrucksvollen Pflanzen und Tiere der Galapagos-Inseln, die Darwin bei der Entwicklung seiner Evolutionstheorie untersuchte, dokumentieren der Postdoktorand Joshua Borin und der außerordentliche Professor Justin Meyer von der School of Biological Sciences der UC San Diego schnelle Evolutionsprozesse in einfachen Laborflaschen.

Borin und Meyer setzten Bakterien und Viren in einem geschlossenen Laborkolben – nur zwei Teelöffel groß – zusammen, um die Koevolution in Aktion zu untersuchen. Wenn Viren ihre bakteriellen Nachbarn infizieren, entwickeln die Bakterien neue Abwehrmaßnahmen, um die Angriffe abzuwehren. Diesen Anpassungen begegnen die Viren dann mit eigenen evolutionären Veränderungen, die die neuen Abwehrmaßnahmen umgehen.

In nur drei Wochen führt dieses beschleunigte Wettrüsten zwischen Bakterien (Escherichia coli) und Viren (Bakteriophagen oder „Phagen“) zu mehreren Generationen evolutionärer Anpassungen. Die neuen Erkenntnisse, veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaftoffenbaren die Entstehung unterschiedlicher evolutionärer Muster.

„In dieser Studie zeigen wir die Kraft der Evolution“, sagte Meyer, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Ökologie, Verhalten und Evolution. „Wir sehen, wie die Koevolution zwischen Bakterien und Phagen die Entstehung eines hochkomplizierten ökologischen Netzwerks vorantreibt. Die Evolution muss nicht langsam und schrittweise erfolgen, wie Darwin dachte.“

Laut Meyer bietet die neue Studie neue Perspektiven darauf, wie sich komplexe ökologische Netzwerke in unterschiedlichen Ökosystemen entwickeln, seien es Nahrungsnetze in der Savanne, Bestäubernetzwerke im Regenwald oder Mikroben, die im Ozean interagieren.

Als sich Bakterien und Viren im Laufe der Zeit an die Anwesenheit des anderen anpassten, entstanden zwei markante, sich wiederholende Muster. Dazu gehörte die Verschachtelung, eine Entwicklung, bei der enge Interaktionen zwischen Bakterien- und Virusspezialisten in einem breiteren Spektrum generalistischer Interaktionen „verschachtelt“ sind; und Modularität, bei der Interaktionen zwischen Arten Module innerhalb spezialisierter Gruppen bilden, jedoch nicht zwischen Gruppen.

„Wir waren erstaunt, als wir herausfanden, dass unser Evolutionsexperiment in winzigen Flaschen die komplexen Muster rekapituliert hatte, die zuvor zwischen Bakterien und Viren beobachtet worden waren, die auf regionaler und transozeanischer Ebene gesammelt wurden“, sagte Borin.

„Als unser Forschungsteam dieses Multiskalenmuster erstmals in Umweltbakterien und Phagen-Interaktionsdaten quantifizierte, gingen wir davon aus, dass die Entstehung einer solchen Komplexität lange Evolutionsperioden erfordert“, fügte der Co-Autor der Studie, Professor Joshua Weitz vom Department of Biology der University of Maryland, hinzu .

Meyer sagt, dass die Erfassung dieser evolutionären Entwicklungen „in Aktion“ die Kraft der Evolution verstärkt, die oft unterschätzt wird. Die rasante pathogene Evolution prägt unsere Welt weiterhin auf neue Weise. Durch COVID-19 und neue Mutationen von SARS-CoV-2 haben Viren die starke Fähigkeit zu evolutionären Anpassungen bewiesen, die zu neuen Stämmen führen, wenn sie auf Antikörper, Impfstoffe und andere Hindernisse stoßen, die sie davon abhalten, effektiv zu infizieren und sich zu verbreiten. Solche neuen Konzepte in der mikrobiellen Evolution verändern die Art und Weise, wie Patienten behandelt werden.

„Wir zeigen, dass die Evolution mit sehr wenig externer Hilfe schnell komplexe ökologische Netzwerke hervorbringen kann“, sagte Meyer, der darauf hinwies, dass Beispiele für solche externen evolutionären Kräfte Isolation aufgrund geografischer Entfernung, Umweltfaktoren und Interaktionen mit anderen Arten umfassen. „So können wir Phagen und Bakterien als Modellsystem verwenden, um allgemeine Evolutionsprinzipien zu verstehen und zu zeigen, wie sich das Leben auf der Erde aus einfachen Anfängen zu solch vielfältigen und komplexen Ökosystemen entwickelt hat.“

In einer verwandten Arbeit untersuchen Meyer und Weitz mithilfe künstlicher Intelligenz, wie Phagen beim Wachstum eingesetzt werden könnten Krise der Antibiotikaresistenz. Die Forschung umfasst die Analyse evolutionärer Daten, um festzustellen, welche Mutationen in Phagen und Bakterien zu Infektionen und Resistenzen führen können. Die Forschung hebt auch hervor eine neue Anstrengung Unterstützt durch das Howard Hughes Medical Institute, um zu untersuchen, wie „Jumbo“-Phagen als neue Therapeutika eingesetzt werden könnten.

Co-Autoren des Wissenschaft Zu den Beiträgen gehören Joshua Borin, Justin Lee, Adriana Lucia-Sanz, Krista Gerbino, Joshua Weitz und Justin Meyer.