Die Gentechnik wirft Licht auf uralte evolutionäre Fragen

Cyanobakterien sind einzellige Organismen, die Energie aus Licht gewinnen und mithilfe der Photosynthese atmosphärisches Kohlendioxid (CO2) und flüssiges Wasser (H2O) in atembaren Sauerstoff und die kohlenstoffbasierten Moleküle wie Proteine ​​umwandeln, aus denen ihre Zellen bestehen. Cyanobakterien waren die ersten Organismen der Erdgeschichte, die Photosynthese betrieben, und waren dafür verantwortlich, die frühe Erde mit Sauerstoff zu überfluten und so die Entwicklung des Lebens maßgeblich zu beeinflussen.

Geologische Messungen deuten darauf hin, dass die Atmosphäre der frühen Erde – vor über drei Milliarden Jahren – wahrscheinlich reich an CO2 war, weit höher als die aktuellen Werte, die durch den anthropogenen Klimawandel verursacht werden, was bedeutet, dass alte Cyanobakterien viel zu „fressen“ hatten.

Aber in der mehrmilliardenjährigen Geschichte der Erde sind die atmosphärischen CO2-Konzentrationen gesunken, und um zu überleben, mussten diese Bakterien neue Strategien zur CO2-Extraktion entwickeln. Moderne Cyanobakterien sehen daher ganz anders aus als ihre alten Vorfahren und besitzen einen komplexen, zerbrechlichen Satz von Strukturen, der als CO2-Konzentrationsmechanismus (CCM) bezeichnet wird, um niedrigere CO2-Konzentrationen auszugleichen.

Jetzt werfen neue Forschungsergebnisse von Caltech Licht darauf, wie sich das CCM entwickelt hat, und lösen ein seit langem bestehendes Rätsel auf dem Gebiet der evolutionären Geobiologie. Die neue Studie verwendet genetische Techniken, um alte Vorfahren moderner Organismen zu modellieren, was es Forschern ermöglicht, systematisch mit verschiedenen Versionen von Bakterien zu experimentieren und mögliche Evolutionswege aufzudecken.

Die Studie war eine Zusammenarbeit zwischen den Labors des Caltech-Professors für Geobiologie Woodward Fischer und David Savage, außerordentlicher Professor für Molekularbiologie an der UC Berkeley und dem Howard Hughes Medical Institute. Es erscheint im Tagebuch Proceedings of the National Academy of Sciences.

„Dies ist eine aufkommende Art, die Erdgeschichte zu studieren“, sagt Fischer. „Wir können den modernen Organismus nehmen und ihn im Labor nachbauen, sodass wir die Trajektorien seiner Evolution mit rigorosen Laborexperimenten testen können.“

Cyanobakterien „fressen“ CO2 mit Hilfe eines Enzyms namens Rubisco. Rubisco ist, einfach ausgedrückt, nicht sehr gut in seinem Job – es wirkt langsam und reagiert eher mit anderen Molekülen als mit CO2. Dies ist kein Problem für Cyanobakterien, wenn sie sich in einer Umgebung mit hohen CO2-Konzentrationen befinden; rubisco kann ineffizient sein und die Bakterien können immer noch genug CO2 zum Verstoffwechseln haben. Aber weil der atmosphärische CO2-Gehalt über Milliarden von Jahren so stark gesunken ist, haben moderne Cyanobakterien ein CCM entwickelt, um CO2 im eigenen Körper der Bakterien zu konzentrieren und die Effizienz von Rubisco zu erhöhen.

CCMs sind für Evolutionsbiologen rätselhaft, weil sie so empfindlich sind – die Veränderung eines der 20 Gene, die für die verschiedenen Teile des CCM kodieren, führt dazu, dass die gesamte Struktur versagt.

„Wir stellen uns die Evolution als Schritt für Schritt vor, wobei jedes neue Gen eine neue Funktion hinzufügt“, sagt Avi Flamholz, Postdoktorand am Caltech und Hauptautor der neuen Veröffentlichung. „Zum Beispiel hatten die alten Vorläufer des modernen menschlichen Auges nicht alle Funktionen des Auges, konnten aber wahrscheinlich Licht in irgendeiner Form erkennen. Mit dem CCM gab es keinen klaren Weg, der anzeigt, wie sie sich zu ihrem entwickelt haben heutige Komplexität.“

In der neuen Studie machte sich das Team daran, mögliche alte Iterationen der CCM-Struktur zu modellieren. Dazu haben sie Escherichia coli-Bakterien gentechnisch so verändert, dass sie CO2 für ihren Stoffwechsel benötigen. Da es etablierte genetische Werkzeuge für die Arbeit mit E. coli im Labor gibt, ist es einfacher, mit diesem Modellsystem als mit Cyanobakterien selbst zu arbeiten. Das Team konstruierte dann E. coli-Stämme mit den 20 Genen, aus denen die CCM besteht, und fügte systematisch Gene hinzu, entfernte und optimierte sie, um alle möglichen evolutionären Trajektorien der CCM-Struktur zu modellieren.

Auf diese Weise fanden Flamholz und sein Team heraus, dass es tatsächlich mehrere biologisch tragfähige Trajektorien gibt, die zur Entstehung des komplexen modernen CCM führen.

„Diese Ergebnisse verdeutlichen den allgegenwärtigen Dialog zwischen globalem Wandel und der Evolution der Biosphäre der Erde“, sagt Fischer. „Als CO2 immer knapper wurde, konnten Cyanobakterien eine bemerkenswerte biochemische Lösung entwickeln.“