Laut einer neuen Studie könnten E. coli-Bakterien weitaus stärker in der Lage sein, eine Antibiotikaresistenz zu entwickeln, als Wissenschaftler bisher dachten veröffentlicht In Wissenschaft am 24.11.
Unter der Leitung des externen SFI-Professors Andreas Wagner kartierten die Forscher experimentell mehr als 260.000 mögliche Mutationen eines E. coli-Proteins, das für das Überleben der Bakterien bei Exposition gegenüber dem Antibiotikum Trimethoprim unerlässlich ist.
Im Verlauf tausender äußerst realistischer digitaler Simulationen fanden die Forscher dann heraus, dass 75 % aller möglichen Evolutionspfade des E. coli-Proteins den Bakterien letztendlich eine so hohe Antibiotikaresistenz verliehen, dass ein Arzt das Antibiotikum nicht mehr verabreichen würde Trimethoprim an einen Patienten.
„Im Wesentlichen deutet diese Studie darauf hin, dass Bakterien wie E. coli möglicherweise geschickter darin sind, Resistenzen gegen Antibiotika zu entwickeln, als wir zunächst dachten, und dies hat umfassendere Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich verschiedene Systeme in der Evolutionsbiologie, Chemie und anderen Bereichen anpassen und entwickeln.“ “ sagt Wagner, Evolutionsbiologe an der Universität Zürich in der Schweiz.
Die Arbeit der Forscher deckt nicht nur neue und möglicherweise besorgniserregende Erkenntnisse über Antibiotikaresistenzen auf, sondern wirft auch Zweifel an einer seit langem bestehenden Theorie über Fitnesslandschaften auf. Diese genetischen Karten stellen dar, wie gut sich ein Organismus – oder ein Teil davon, wie ein Protein – an seine Umgebung anpasst.
In Fitnesslandschaften repräsentieren verschiedene Punkte in der Landschaft unterschiedliche Genotypen eines Organismus, und die Höhe dieser Punkte gibt an, wie gut jeder Genotyp an seine Umgebung angepasst ist. Aus evolutionsbiologischer Sicht besteht das Ziel darin, den höchsten Peak zu finden, der den fittesten Genotyp anzeigt.
Die vorherrschende Theorie zu Fitnesslandschaften geht davon aus, dass die meisten sich entwickelnden Populationen in sehr zerklüfteten Landschaften oder solchen mit mehreren Fitnessgipfeln auf niedrigeren Fitnessgipfeln gefangen bleiben und nie den Höhepunkt der evolutionären Anpassung erreichen.
Allerdings war die Überprüfung dieser Theorie bisher äußerst schwierig, da experimentelle Daten zu ausreichend großen Fitnesslandschaften fehlten.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, nutzten Wagner und Kollegen die CRISPR-Geneditierungstechnologie, um eine der bisher kombinatorisch vollständigsten Fitnesslandschaften für das E. coli-Dihydrofolatreduktase (DHFR)-Protein zu erstellen.
Was sie fanden, war überraschend. Die Landschaft hatte viele Gipfel, aber die meisten waren von geringer Fitness, was sie für die Anpassung weniger interessant machte. Doch selbst in dieser rauen Landschaft erreichten etwa 75 % der von ihnen simulierten Populationen hohe Fitnessspitzen, was E. coli eine hohe Antibiotikaresistenz verleihen würde.
Die Auswirkungen auf die reale Welt sind erheblich. Wenn zerklüftete Landschaften wie diese in biologischen Systemen häufig vorkommen, könnte dies bedeuten, dass viele Anpassungsprozesse, wie etwa Antibiotikaresistenzen, leichter zugänglich sind als bisher angenommen.
Das Ergebnis könnte letztendlich zu einer Neubewertung theoretischer Modelle in verschiedenen Bereichen führen und weitere Forschung darüber anstoßen, wie reale Landschaften evolutionäre Prozesse beeinflussen.
„Dies hat tiefgreifende Auswirkungen nicht nur auf die Biologie, sondern darüber hinaus und veranlasst uns, unser Verständnis der Landschaftsentwicklung in verschiedenen Bereichen neu zu bewerten“, sagt Wagner. „Wir müssen von abstrakten theoretischen Modellen zu datenbasierten, realistischen Landschaftsmodellen übergehen.“
Mehr Informationen:
Andrei Papkou et al., Eine robuste und dennoch leicht zu navigierende Fitnesslandschaft, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh3860. www.science.org/doi/10.1126/science.adh3860