Forscher am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg haben die evolutionäre Entwicklung symbiotischer Bakterien im Darm von Termiten im Hinblick auf ihre Stoffwechselfähigkeiten analysiert.
Die Ergebnissejetzt veröffentlicht in mBiozeigen, dass einige Bakterienstämme möglicherweise bereits den Weg vom nützlichen zum Parasiten eingeschlagen haben.
Nicht nur bei Menschen oder wiederkäuenden Rindern leben unzählige Mikroben in ihrem Darm. Im Darm vieler Termitenarten, die sich von der Zersetzung schwer verdaulicher Holzbestandteile ernähren, wimmelt es von zahlreichen einzelligen Helfern, sogenannten Flagellaten. Diese wiederum werden von Bakterien besiedelt. Die bakteriellen Endosymbionten leben in oder auf den eukaryotischen Flagellaten und versorgen diese im Termitendarm mit Nährstoffen.
Ein Team um den Marburger Max-Planck-Wissenschaftler Andreas Brune möchte die Details des Zusammenlebens und vor allem die weltweit wichtige Stoffwechselleistung der Bakterien besser verstehen. Denn der Beitrag von Termitenmikroben zum globalen Methanhaushalt ist nicht unerheblich. Darüber hinaus erregt auch die Fähigkeit der mikrobiellen Symbionten, Holzbestandteile in potenziell wertvolle Bausteine umzuwandeln, seit Jahren das Interesse der Forscher.
Endomikrobie: Ein hervorragendes Argument für Evolutionsstudien
In ihrer neuesten Studie untersuchte das Team um Andreas Brune, wie es zu der Partnerschaft zwischen Flagellaten und Bakterien kam und wie die Stoffwechselleistung der Bakterien mit dieser evolutionären Entwicklung korreliert. Diese Vorgehensweise wird normalerweise dadurch eingeschränkt, dass es keine nahen Verwandten mehr gibt, die unabhängig außerhalb der Wirtszellen leben. In diesem Fall hatten die Forscher Glück: Eine Bakteriengruppe namens Endomicrobia enthält sowohl frei lebende Formen als auch Endosymbionten der Flagellaten.
Die Forscher analysierten die genetische Information von Bakterienstämmen, die mit verschiedenen Termiten assoziiert sind, mittels Metagenomsequenzierung. „Als wir uns die Ergebnisse ansahen, stellten wir fest, dass die in den Flagellaten lebenden Endomicrobia-Bakterien im Laufe der Zeit viele Gene verloren hatten“, erklärt Undine Mies, eine Doktorandin. Schüler in der Gruppe. Dieser Verlust wurde jedoch durch den Erwerb neuer Funktionen durch den Transfer von Genen anderer Darmbakterien ausgeglichen.
Der horizontale Gentransfer bietet neue Stoffwechselmöglichkeiten
„Durch den Erhalt von Genen anderer Bakterien in ihrer Umgebung konnten die Bakterien ihren Stoffwechsel besser auf andere Energiequellen wie Zuckerphosphate umstellen“, sagt Mies. „Dieses Ergebnis unterstreicht, wie wichtig dieser horizontale Gentransfer für die Koevolution von Organismen ist.“
Die Daten zeigen auch, dass es im Zuge dieser Entwicklung zu einer Verlagerung des Energiestoffwechsels von Glukose hin zu Zuckerphosphaten und schließlich zu einem vollständigen Verlust der Fähigkeit, Zucker abzubauen, kam.
Stattdessen erwarben die Bakterien einen Transportmechanismus zur Aufnahme energiereicher Verbindungen (ATP/ADP-Antiporter) aus der Wirtsumgebung, wie er für parasitäre Bakterien typisch ist. „Der Verlust fast aller biosynthetischen Fähigkeiten in einigen endomikrobielle Linien und die Übernahme des Transporters deuten darauf hin, dass die ursprünglich für beide Seiten vorteilhafte Beziehung zwischen den Bakterien und den im Darm lebenden Flagellaten möglicherweise im Niedergang begriffen ist“, erklärt Brune.
„In einem nächsten Schritt wollen wir nun untersuchen, inwieweit die ursprünglichen Aufgaben der endomikrobiellen Symbionten durch andere, sekundäre Symbionten ersetzt werden. Dies wird zum allgemeinen Verständnis beitragen, wie die Natur Sackgassen in der Evolution von Symbiosen vermeidet.“ „
Mehr Informationen:
Undine S. Mies et al., Genomreduktion und horizontaler Gentransfer in der Evolution von Endomikrobien – Aufstieg und Fall einer intrazellulären Symbiose mit Termitendarmflagellaten, mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.00826-24