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Hinter dem Transformationsprozess: Wie absorbieren Bakterien geschickt DNA, um ihre Überlebensfähigkeit zu verbessern?
In der Mikrobiologie und Zellbiologie bezieht sich „Kompetenz“ auf die Fähigkeit einer Zelle, ihr Genom durch die Aufnahme fremder DNA aus der Umgebung zu verändern, ein Prozess, der als „Transformation“ bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen natürlichen und künstlich erzeugten Fähigkeiten von Bakterien besteht darin, dass natürliche Fähigkeiten unter natürlichen genetischen Bedingungen in der natürlichen Umgebung und im Labor erzeugt werden, während künstliche Fähigkeiten durch Laborprozesse entstehen, die dazu führen, dass Zellen sofort DNA weitergeben. Diese Fähigkeit ermöglicht es den Zellen, sich schnell an Umweltveränderungen anzupassen und ihre DNA zu reparieren, wodurch ihre Überlebensfähigkeit deutlich verbessert wird.
Die Erforschung natürlicher Fähigkeiten begann im Jahr 1928, als der Wissenschaftler Frederick Griffith entdeckte, dass das Absterben pathogener Bakterien den Genotyp harmloser Bakterien verändern kann.
Nach Griffiths Entdeckung im Jahr 1928 bestätigten Oswald Avery und andere im Jahr 1944, dass es sich bei diesem „transformierenden Faktor“ um reine DNA handelte, und enthüllten damit, dass die DNA der Träger der zellulären genetischen Informationen ist.
Mechanismen der DNA-AufnahmeIm Labor stellen Wissenschaftler normalerweise fremde DNA zur Verfügung, bei der es sich oft um ein gentechnisch verändertes Fragment oder Plasmid handelt. Zellen nutzen spezielle Mechanismen, um diese DNAs ins Zellinnere zu transportieren. Nachdem die DNA in die Zelle gelangt ist, kann sie zur Verwendung bei der DNA-Replikation oder anderen Stoffwechselfunktionen in Nukleotide zerlegt werden. Alternativ kann es durch DNA-Reparaturenzyme in das Genom der Zelle rekombiniert werden. Ändert diese Rekombination den Genotyp der Zelle, gilt die Zelle als transformiert.
Bei vielen von Natur aus kompetenten Bakterien binden spezifische externe Filamente an doppelsträngige DNA und transportieren sie über einen aus mehreren Komponenten bestehenden Proteinkomplex.
Kapazitätsregulierung
In Laborkulturen sind natürliche Fähigkeiten oft streng reguliert und werden nicht selten durch Nährstoffmangel oder widrige Umweltbedingungen ausgelöst. Allerdings unterscheiden sich die spezifischen Induktionssignale und Regelungsmechanismen stark zwischen verschiedenen Arten. Wissenschaftler haben einige Transkriptionsfaktoren entdeckt, die die Fähigkeitsbildung regulieren können, wie etwa sxy (auch bekannt als tfoX). Bei Bakterien, die Sporen bilden können, stimmen die Bedingungen, die die Sporenbildung auslösen, normalerweise mit denen überein, die die Kompetenz auslösen. Daher enthalten Kulturen, die sporenbildende Zellen enthalten, häufig auch kompetente Zellen.
Die evolutionären Funktionen und Konsequenzen von Fähigkeiten
Die wichtigsten Vorschläge zu den evolutionären Funktionen natürlicher Fähigkeiten lassen sich derzeit im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen: Selektive Vorteile, die die genetische Vielfalt beeinflussen; DNA-Aufnahme als Nukleotidquelle; und selektive Vorteile bei der Reparatur beschädigter DNA durch homologe Rekombination.
Einige Studien legen nahe, dass die bakterielle Transformation bei der Steigerung der genetischen Vielfalt eine ähnliche Rolle spielen könnte wie das Sexualverhalten höherer Organismen. Allerdings ist auch diese Ansicht mit einigen theoretischen Schwierigkeiten behaftet.
Eine andere Hypothese ist, dass DNA als Nahrungsquelle dient, da Zellen, die DNA aufnehmen, Zugang zu den Nukleotiden erhalten, aus denen diese DNA besteht und die für die DNA- und RNA-Synthese wichtig sind.
Hypothese zur Reparatur von DNA-SchädenBei Bakterien ist das Problem der DNA-Schädigung während Stressperioden am ausgeprägtesten, insbesondere bei oxidativem Stress in Zeiten von Überbelegung oder Hunger. Einige Bakterien entwickeln unter diesen Belastungen daher Kompetenz, was auch die Hypothese stützt, dass die Transformation bei der DNA-Reparatur hilft. Experimente haben gezeigt, dass Zellen, deren DNA Schaden genommen hat, im Falle einer Transformation eine höhere Überlebensrate aufweisen als beschädigte Zellen, die nicht transformiert wurden.
Horizontaler Gentransfer
Während diese Fähigkeit Bakterien langfristig Vorteile verschaffen kann, ist es in manchen Fällen möglicherweise auch möglich, ihnen durch unterschiedliche genetische Kombinationen Resistenzen oder andere Vorteile zu verleihen. Die Komplexität des Genoms zeigt deutlich, dass Bakterien die Fähigkeit zum horizontalen Gentransfer haben, der zur Erhöhung der genetischen Vielfalt beiträgt und somit ihren Evolutionsprozess unterstützt.
Wie können Bakterien angesichts einer sich rasch verändernden Umwelt diese Fähigkeit geschickt nutzen, um sich zu stabilisieren und an die Außenwelt anzupassen?
