Neue Artbildung bei Bakterien

Bakterium der Gattung Bartonella

Organismen mit besonderer Anpassungsfähigkeit an ihre Umwelt können unter bestimmten Voraussetzungen eine explosionsartig verlaufende Artbildung in Gang setzen. Dieser für die Biodiversität entscheidende Prozess der «adaptiven Radiation» wurde erstmals von Charles Darwin für die vielgestaltigen Finken der Galápagos-Inseln, den Darwin-Finken, beschrieben. Seither wurde sie auch bei der Artbildung einer Vielzahl anderer Tiere und Pflanzen beobachtet. Nun hat ein Forscherteam gezeigt, dass auch Bakterien durch den Erwerb neuer Eigenschaften eine adaptive Radiation auslösen können. Am Beispiel des Krankheitserregers Bartonella konnten die Forschenden zeigen, dass sich Bakterien durch den Erwerb einer molekularen Injektionsnadel zum Einspritzen bakterieller Proteine in Wirtszellen sehr viel effizienter an neue Wirtsorganismen wie den Menschen anpassen können. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Evolution neuartiger Krankheitserreger des Menschen.

Der Begriff «adaptive Radiation» beschreibt die rasche Entstehung einer Vielzahl von Arten aus einer Gründerpopulation als Folge der spezifischen Anpassung an verschiedene ökologische Nischen. Dieser fundamentale Prozess der Evolution trägt entscheidend zur Entstehung von Biodiversität bei. Adaptive Radiationen erfolgen immer dann, wenn ein Organismus entweder ein adaptives Merkmal («evolutionary key innovation») neu erwirbt, mit dessen Hilfe er sich schnell an neuartige Nischen anpassen kann, oder wenn ein Organismus mit bestehendem adaptivem Merkmal auf eine fremde Umwelt mit unbesetzten Nischen trifft («ecological opportunity»).

Darwin-Finken: Paradigma der adaptiven Radiation
Das Lehrbuchbeispiel einer solchen explosiv verlaufenden Artbildung sind die Darwin-Finken auf den Galápagos-Inseln. Durch mannigfaltige Anpassung der Schnabelform haben sich bislang 14 bekannte Arten entwickelt, die so unterschiedlichste Nahrungsquellen nutzen können. Weitere Beispiele für adaptive Radiationen finden sich bei den Reptilien, Fischen, Insekten und Pflanzen. Allerdings weiss man bislang vergleichsweise wenig über diesen grundlegenden Artbildungsprozess bei den allgegenwärtigen Bakterien.

Adaptive Raditionen auch in Bakterien
An der Universität Basel haben nun Forschende erstmals ein gut belegtes Beispiel einer adaptiven Radiation bei Bakterien beschrieben und dessen molekulare Grundlage entschlüsselt. Untersucht wurde die Artbildung des bakteriellen Krankheitserregers Bartonella, bei dem jede seiner vielen nah verwandten Spezies jeweils spezifisch an einen bestimmten Säugerwirt und damit an eine ökologische Nische angepasst ist.

Parallele Evolution ermöglicht neue Erkenntnisse zur Entstehung neuer Krankheitserreger
Die detaillierte Untersuchung der Verwandtschaftsverhältnisse der Bartonella-Spezies führte überraschenderweise zum Nachweis von zwei parallel verlaufenden adaptiven Radiationen, wobei sich Abkömmlinge jeweils beider Radiationen an denselben Säugerwirt angepasst haben. Beispiele paralleler Evolution erleichtern die Untersuchung molekularer Evolutionsmechanismen. Die parallel verlaufenden adaptiven Radiationen der Bartonellen konnten auf den unabhängigen Erwerb desselben adaptiven Merkmals zur Wirtsanpassung zurückgeführt werden. Bei diesem Merkmal handelt es sich um eine molekulare Injektionsnadel («Typ-IV-Sekretionssystem»), die einen auf den entsprechenden Säugerwirt angepassten Cocktail aus bakteriellen Wirkproteinen in die infizierten Wirtszellen einspritzt. Da sich Bartonellen auch mehrfach spezifisch an den Menschen als Wirtsorganismus angepasst haben, sind die Forschungsergebnisse in zweifacher Hinsicht von grosser Bedeutung: Einerseits für das grundlegende Verständnis der Evolution neuartiger Krankheitserreger des Menschen, andererseits im Hinblick auf die Erforschung neuer Ansätze zur Bekämpfung dieses Krankheitserregers.