Wenn Sie sich noch an „Dear King Phillip Came Over For Good Spaghetti“ erinnern, erinnern Sie sich wahrscheinlich auch an die entsprechenden taxonomischen Ränge der Biologie: Domäne, Königreich, Stamm, Klasse, Ordnung, Familie, Gattung und Art. Zu den Domänen gehören Prokaryoten, einzellige Organismen wie Bakterien und Archaeen sowie Eukaryoten, zu denen Pilze, Pflanzen und Tiere gehören.
Eukaryoten durchlaufen eine Evolution, wenn Mutationen vom Elternteil an die Nachkommen weitergegeben werden, was als vertikaler Gentransfer bezeichnet wird. Bei Prokaryoten kann die Evolution durch horizontalen Gentransfer (kurz HGT) erfolgen, bei dem genetische Informationen direkt zwischen Bakterien ausgetauscht werden. Dieser Prozess ermöglicht es einzelnen Organismen und sogar ganzen Arten, schnell neue Gene zu gewinnen, darunter auch potenziell gefährliche Gene, die Antibiotikaresistenzen verleihen.
An der University of Delaware entdeckten Forscher kürzlich im Labor von Eleftherios „Terry“ Papoutsakis, Unidel Eugene du Pont Chair Professor im Department of Chemical and Biomolecular Engineering des College of Engineering, im Department of Biological Sciences und am Delaware Biotechnology Institute, eine neue Entdeckung Mechanismus, durch den HGT in Bakterien auftreten kann.
Die Ergebnisse dieser Studie unter der Leitung des Doktoranden Kamil Charubin und des Doktoranden John Hill erweitern das aktuelle Verständnis der Evolution und Überlebensstrategien für komplexe Mikrobiome mit Auswirkungen auf Bereiche von der Ökologie über Biotechnologie bis hin zur Medizin. Die Studie wurde veröffentlicht in mBio.
Die Forschung für die neueste Arbeit der Gruppe begann, nachdem Charubin beobachtete, dass zwei Bakterienarten (Clostridium acetobutylicum und C. ljungdahlii) Nährstoffe, Metaboliten und Zellmaterial mit hoher Geschwindigkeit austauschten, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe zueinander befanden. Sie fanden heraus, dass die Zellen einen Mechanismus namens heterologe Zellfusion nutzten, um Materialien zu übertragen, und wollten herausfinden, ob Bakterien über diesen Mechanismus auch genetische Informationen übertragen können.
„Das waren nicht nur ein paar Proteine, sondern umfasste tatsächlich die meisten Materialien im Zytoplasma“, sagte Hill. „Diese Ergebnisse veranlassten uns zu der Frage, ob auch genetisches Material, einschließlich Plasmide, ausgetauscht werden könnte.“
Um herauszufinden, ob ein Gentransfer auch dann stattfand, wenn die Bakterienzellen in engem Kontakt standen, passte Hill die Labortechniken der Gruppe an, sodass sie die Bewegung des Bakteriengenoms und der Plasmide (kreisförmige DNA-Stücke, die von Bakterien verwendet werden, die von ihrem Genom getrennt sind) verfolgen konnten. . Die Forscher verwendeten auch selektive Subkultivierungstechniken, isolierten C. acetobutylicum-Zellen, nachdem sie Plasmide von C. ljungdahlii aufgenommen hatten, und bestätigten dann den Gentransfer mithilfe von PacBio Single-Molecule Real Time (SMRT)-Sequenzierungsdaten.
Die Ergebnisse dieser Forschung zeigen, dass die beiden Clostridium-Arten tatsächlich genetische Informationen über heterologe Zellfusion austauschen können, ein Mechanismus für HGT, „der bisher noch nicht in Betracht gezogen oder beobachtet wurde“, sagte Papoutsakis. „Durch heterologe Zellfusion haben wir herausgefunden, dass es einen DNA-Austausch zwischen den Mikroben gibt und dass die resultierenden Hybridzellen große Mengen genomischer DNA beider Organismen enthalten.“
Die Forscher sagten, dass die neueste Arbeit der Gruppe neue Einblicke in die Prozesse und Treiber der bakteriellen Evolution liefert.
„Wir wissen, dass sich mikrobielles Leben in natürlich vorkommenden Gemeinschaften entwickelt hat, und wenn es eine große Anzahl von Interaktionen zwischen den Arten, einschließlich des Genaustauschs, gibt, würde dies einen weiteren Aspekt der mikrobiellen Evolution offenbaren“, sagte Hill. „Diese Ergebnisse könnten darauf hindeuten, dass sich Mikroben nicht unabhängig voneinander entwickeln, sondern dass es vielmehr eine Vielzahl von Evolutionsverläufen innerhalb lokaler Umgebungen gibt, die durch eine Vielzahl externer Belastungen, einschließlich HGT, motiviert werden.“
Papoutsakis fügte hinzu, dass diese Studie auch Auswirkungen auf andere Bereiche haben könnte, insbesondere wenn es sich um eine andere Möglichkeit handelt, wie Bakterien einander Merkmale wie Antibiotikaresistenz verleihen können.
„In natürlichen Mikrobiomen, beispielsweise in der Umwelt oder im menschlichen Darm, gibt es viel mehr Komplexität und Interaktion zwischen Mikroben“, sagte Papoutsakis. „Diese Art von Mechanismus für HGT kann wirklich wichtige physiologische und medizinische Auswirkungen haben.“
Mehr Informationen:
Kamil Charubin et al., DNA-Transfer zwischen zwei verschiedenen Arten, vermittelt durch heterologe Zellfusion in Clostridium-Kokultur, mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.03133-23