In der Welt der Mikroben blüht die Zusammenarbeit

Abhängig von den äußeren Bedingungen kann die Myxococcus xanthus-Mikrobe sowohl eine kompetitive (gelbe) Form als auch eine kooperative (grüne) Form annehmen.

Trotz der einzelligen Struktur können Mikroben überraschend miteinander kooperieren. Sie können Polymere absondern, die es ihnen ermöglichen, zusammenzukleben und Biofilme zu bilden, um sich vor Antibiotika und anderen Giftstoffen zu schützen. Sie können große Mengen an Schmiermittel produzieren, die es Kolonien ermöglichen, auf weichen Oberflächen zu wachsen, und sogar Moleküle produzieren, die nach Eisen suchen, um unter Bedingungen von Eisenmangel wie Menschen zu leben.

Diese Verhaltensvielfalt wirft die Frage nach der Evolution auf: Wie kann die Zusammenarbeit in einem so selbstsüchtigen Umfeld gedeihen, das von natürlicher Selektion getrieben wird? "Das klassische Problem ist, dass jede Art von Zusammenarbeit für den Einzelnen kostspielig ist", sagt Michael Desai , ein Physiker, der zu mikrobiellen Evolutionsbiologen an der Harvard University gewechselt ist. "Das Rätsel ist, wie diese Situation als Ergebnis der Evolution entstanden sein könnte?"

Kooperation - per Definition ein Verhalten, das jemand anderem zugute kommt - kann beispielsweise die Bereitstellung von Nahrungsmitteln oder Schutz sein und ist für den Geber normalerweise teuer. Insbesondere in so schnell mutierenden Organismen wie Mikroben, die regelmäßig als neue Methoden der Täuschung erscheinen, können sie Kooperationspartner ausstatten.


Hefe, die sowohl täuschen als auch kooperieren kann, ermöglichte es Wissenschaftlern, die Entwicklung der Kooperation in Mikroben zu untersuchen

Nach dem einfachsten Modell der natürlichen Selektion gewinnen letztere in einer perfekt gemischten Population von Kooperationspartnern und Betrügern normalerweise. Theoretische Berechnungen und Experimente mit Mikroben und anderen Organismen zeigten jedoch, dass sich unter bestimmten Bedingungen eine Zusammenarbeit entwickeln kann. Gruppen verbundener Personen, die zusammenarbeiten, können Betrüger übertreffen, was erklärt, dass eine Vielzahl von Organismen - Mikroben, Insekten und sogar Menschen - durch Kooperation überleben können.

Zwei veröffentlichte Studien haben eine neue Kraft entdeckt, die den Mitarbeitern zum Gedeihen verhelfen kann: die Erweiterung der Bevölkerungsgrenzen. Beide Studien arbeiteten mit Hefe, aber Wissenschaftler argumentieren, dass Entdeckungen auch auf andere Arten von Lebewesen, einschließlich Menschen, übertragbar sein könnten. "Es ist nicht bekannt, wie weit verbreitet dieser Mechanismus ist, aber es scheint durchaus möglich, dass er ziemlich weit verbreitet ist", sagt Desai.

Ein besseres Verständnis der Bedingungen, unter denen sich eine mikrobielle Zusammenarbeit entwickelt, kann in der Gesundheitsforschung hilfreich sein. Viele Mikroben, die Menschen infizieren, werden kooperativ als Biofilme bezeichnet, und neue Strategien zur Verhinderung der Bildung von Biofilmen können zu Alternativen zu Antibiotika werden, die bei Mikroben Resistenzen entwickeln können. Entdeckungen können auch Aufschluss über die Entwicklung mehrzelliger Organismen geben, die aus Gruppen von zusammenwirkenden Zellen hervorgehen, sowie über Krebs, der als eine Reihe von betrügerischen Zellen angesehen werden kann, die gesunde und kooperierende Zellen unseres Körpers angreifen.

Neuland

Die meisten theoretischen Arbeiten zur Entwicklung der Zusammenarbeit konzentrieren sich auf statische Populationen, die entweder an einem Ort leben oder ein konstantes Volumen aufrechterhalten.


Bei Mangel an Nahrung kooperieren Tausende von einzelnen Myxococcus xanthus und bilden eine sporenproduzierende Formation.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die räumlichen Konventionen einer statischen Population Mikroben zum Altruismus anregen können. Obwohl Betrüger in sehr heterogenen Gruppen von Mikroben gewinnen, können Klumpen kollaborierender Mikroben die Klumpen von Betrügern in ihrer Größe überholen. Zwei populäre und etwas überlappende Theorien zur Entwicklung der Zusammenarbeit umfassen die Wahl von Verwandten, nach denen Großzügigkeit gegenüber Familienmitgliedern zum Überleben eines der Gene beiträgt, und die Wahl einer Gruppe, nach der eine Gruppe kooperierender Mikroben häufiger Erfolg hat als einzelne Mikroben. "Die Vorteile der Zusammenarbeit werden nicht von allen in der Bevölkerung genutzt, sondern nur von denen, die entweder in der Nähe oder genetisch ähnlich sind", sagt Desai.

Die meisten Arten leben jedoch nicht unter statischen Bedingungen. Sie verändern ständig ihre Menge und ihren Lebensraum. Änderungen können beispielsweise die globale Erwärmung und geologische Zyklen wie die Eiszeit auslösen.

Eine neue Reihe von Studien legt nahe, dass die Bevölkerungserweiterung die Evolutionsdynamik ernsthaft beeinflussen kann. In einer wachsenden Bevölkerung können die Auswirkungen des Zufalls, auf die in der Evolutionstheorie durch Gendrift genauer Bezug genommen wird, einen größeren Einfluss haben als die natürliche Selektion. Infolgedessen kann die Anzahl der blühenden Gruppen kollaborierender Mikroben verringert werden.


Wenn sich zwei Mikrobenstämme (grün und rot) auf ein neues Gebiet ausdehnen, wächst der Stamm höchstwahrscheinlich an der Grenze. Das Ergebnis ist ein "Plattenspieler" -Muster wie auf dem Foto

In einem Experiment aus dem Jahr 2007 wurde der Einfluss der Expansion visuell demonstriert. Oskar Hallatschek, Biophysiker an der University of California in Berkeley, begann mit einem Tropfen zweier gut gemischter Mikrobenstämme, die mit zweifarbigen Fluoreszenzfarbstoffen gefärbt waren. Da beide Stämme mit der gleichen Geschwindigkeit wachsen, sagt das statische Populationsmodell voraus, dass sich ihre Konzentration im Laufe der Zeit nicht ändern wird. Das anfängliche Verhältnis von 50:50 bleibt erhalten. Die Ergebnisse waren jedoch völlig anders. Nachdem sich die Mikroben über die Petrischale verteilt hatten, trennten sie sich schnell voneinander und organisierten ein „Spinner“ -Muster mit verschiedenen Abschnitten bestimmter Farben. "Dies ist ein sehr starker Effekt, der sehr schwer zu vermeiden ist", sagt Halachek.

Die Entdeckungen waren ein beeindruckendes Beispiel für ein Phänomen wie das genetische Surfen, das einige Jahre zuvor theoretisch vorhergesagt wurde. (Unter den Forschern gibt es viele Physiker, die unter anderem vom Potenzial der Modellierung und Erprobung von Evolutionstheorien angezogen werden.) In großen statischen Populationen ist die Wahrscheinlichkeit, neue neutrale Mutationen zu fixieren (ohne die Eignung für die Evolution zu beeinträchtigen), äußerst gering. Nach dem Surfmodell ist die Wahrscheinlichkeit der Ausbreitung von Mutationen, die an der Grenze einer wachsenden Bevölkerung auftreten, jedoch viel höher - sie scheinen eine Expansionswelle zu reiten - und werden stärker, da sich an diesem Ort eine kleine Anzahl von Zellen vermehrt. In einem Artikel aus dem Jahr 2007 erklärten Halachek und Kollegen, wie genetische Drift sowohl das genetische Surfen als auch das Auftreten eines Spinnermusters fördern kann. Grüne Bakterien teilen sich und bilden mehr grüne Kolonien, weshalb ein grüner Keil wächst. "Bei einer expandierenden Kolonie dreht sich alles um den Standort", sagt Halachek. "Selbst wenn Sie ein perfekter Mutant sind, müssen Sie genau an dieser Grenze sein, um zu gedeihen, sonst haben Sie keine Chance."

Halachiks Experimente lieferten den ersten direkten Beweis dafür, dass „das Surfen die Vielfalt neutraler Gene in einer großen natürlichen Population dramatisch verändern kann“, sagt Lauren Eskoffier , eine nicht forschende Populationsgenetik-Spezialistin an der Universität Bern in der Schweiz.

Die Entdeckung zeigt nicht nur einen lebhaften Kontrast zwischen der statischen und der sich ausbreitenden Population, sondern auch die wichtige Rolle, die bei der Entwicklung des Zufalls durch das Auftreten unter geeigneten Bedingungen gespielt wird. "Es geht darum, die Bedeutung der Zufälligkeit zu vervielfachen", sagt Kevin Foster , ein Evolutionsbiologe an der Universität Oxford, der an dieser Arbeit nicht beteiligt ist. "Dies bedeutet, dass einige Eigenschaften, die für die Evolution nicht vorzuziehen sind, nur zufällig sehr häufig werden können."

Halcheks Arbeit "inspirierte tatsächlich viele Forschungen zum Verständnis, wie natürliche Selektion und Bevölkerungserweiterung funktionieren und wie sie genetische Spuren hinterlassen", sagt Desai. - Unsere Arbeit setzt dieses Thema fort. Wir haben über die Genetik einer wachsenden Bevölkerung nachgedacht und festgestellt, dass dies zu einer Zusammenarbeit führt. “

Wenig Teamwork

Foster und Kollegen schlugen vor, dass die Expansion eine weitere Kraft sein könnte, die die Zusammenarbeit durch detaillierte Computermodellierung von Mikroben im Jahr 2010 vorantreibt . Das Modell bestätigte Halacheks Entdeckungen und ging noch einen Schritt weiter, was darauf hindeutet, dass die Erweiterung der Bevölkerungsgrenzen optimale Bedingungen für die Zusammenarbeit von Organismen schafft.


In einer gemischten Population von zusammenarbeitenden Mikroben (rot) und täuschenden Mikroben (grün) gewinnen die Mitarbeiter schließlich

Kürzlich haben zwei Gruppen von Wissenschaftlern diesen Effekt auf reale Mikroben gezeigt und die besonderen Bedingungen hervorgehoben, unter denen sich Altruismus entwickeln könnte. Um die Zusammenarbeit bei Hefen zu untersuchen, verwendeten die Forscher zwei Arten - Mitarbeiter, die ein Enzym absondern, das Saccharose vor dem Lieblingsfutter von Mikroben, Glukose und Betrügern abbaut, die nicht wussten, wie dies zu tun ist. Fast alle von Kooperationspartnern produzierten Lebensmittel wurden in die Umwelt freigesetzt, wo sich sowohl Kooperationspartner als auch Betrüger erholen konnten.

In einem in Current Biology veröffentlichten Desai-Experiment wurde ein Tropfen Flüssigkeit, der beide Hefetypen enthielt, auf eine Petrischale gegeben. Während sich Mikroben teilen und in unbesetzten Raum ausdehnen, wurde die Grenze der Bevölkerung zufällig von Betrügern oder Kooperationspartnern besetzt. Dies führte zum "Gründereffekt", bei dem Gruppen von Mikroben an der Grenze leben, die eng miteinander verwandt sind. "Wer als erster früher als die anderen migrierte, hatte mehr Nachkommen", sagt Desai.

In der Regel wuchs die Population kollaborierender Hefen schneller als die Population individualistischer Betrüger, da die Kooperationspartner in Neuland normalerweise schneller wuchsen. "Sie gewinnen an der Grenze der Bevölkerung, und infolgedessen wird die gesamte Grenze von Kooperationspartnern besetzt", sagt Desai. "Die räumliche Ausdehnung einer Bevölkerung kann die Chancen für eine erfolgreiche Entwicklung der Zusammenarbeit dramatisch verbessern."

Desai-Mikroben könnten in zwei Dimensionen wachsen, aber einige Expansionsfälle sind eindimensional - zum Beispiel Vögel, die sich entlang einer Inselkette bewegen. Der MIT-Physiker Jeff Gore und seine Kollegen analysierten einen eindimensionalen Fall, indem sie eine Mischung aus kooperierenden und betrügerischen Keimen in dünnen, mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchen züchteten. Sie bewegten die Mikroben manuell und transferierten täglich einen Teil der Flüssigkeit in ein neues Röhrchen. Im Gegensatz zu Desai-Mikroben, die ohne Kooperation überleben können, brauchten Gouras Betrüger Mitarbeiter für Nahrung und Überleben und drangen in eine wachsende Population von Mitarbeitern ein.


Jeff Gour

Die Forscher verglichen die Expansionsrate der Kooperationspartner an der Grenze mit der Brutrate der dahinter stehenden Betrüger. Damit die Kooperationspartner erfolgreich waren, mussten sie schneller expandieren, als die Betrüger sie angriffen. Ein in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichtes Papier zeigt, dass sich unter rauen Bedingungen in einer gemischten Bevölkerung Kooperationspartner ausbreiten und Betrüger aussterben. Wenn sich jedoch sowohl Mitarbeiter als auch Betrüger in einem leeren Raum entwickeln, übertreffen Mitarbeiter die Betrüger nur unter milden, aber nicht unter rauen Bedingungen. (Die Migrationsrate wird berechnet, indem die Populationsdichte jedes Röhrchens gemessen wird, das über die Zeit wächst.) „Es ist erstaunlich, wie räumliche Expansion die Zusammenarbeit bevorzugt - sie übernehmen neue Gebiete schneller als Betrüger“, sagt Gour.

Mitarbeiter haben bevorzugten Zugang zu den Früchten ihrer Arbeit, da einige der von ihnen abgesonderten Enzyme in ihren eigenen Zellwänden stecken bleiben. Dies ist bei niedrigen Zelldichten wichtig, weil "unter diesen Bedingungen den Zellen Zucker fehlt", sagt Gour. "So können Mitarbeiter ein bisschen Gesamtzucker verschlingen, bevor er sich auflöst."

Laut Foster ist die räumliche Ausdehnung möglicherweise eine Voraussetzung für die mikrobielle Zusammenarbeit. "Es ist sehr einfach, höchstwahrscheinlich universell und erklärt eine der wichtigsten Entdeckungen im Zusammenhang mit Mikroben", sagt er.

Neben Keimen

Natürlich sind Mikroben nicht die einzigen Organismen, die die Population erweitern oder Kooperation zeigen. Grundsätzlich können dieselben Faktoren, die für Hefen eine Rolle spielen, auf höhere Organismen angewendet werden, obwohl Wissenschaftler vorsichtig feststellen, dass es dafür noch keine Beweise gibt.

"Es bleibt abzuwarten, wie weit verbreitet dieser Effekt in der Natur ist", sagt Desai. Viele Arten erweitern ihr Territorium entweder nach Jahreszeit oder auf lange Sicht. Hat die Migration von Menschen aus Afrika vor Zehntausenden von Jahren zu Präferenzen zugunsten der Zusammenarbeit geführt?

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Menschen Expansion

Eine wachsende Population trägt ein charakteristisches genetisches Merkmal, und ein solches Merkmal wurde beim Menschen gefunden. Das Problem ist jedoch, dass dieses Merkmal demjenigen ähnlich ist, das aufgrund natürlicher Selektion erhalten bleibt. Menschen könnten aus Afrika abwandern "ohne ersichtlichen Grund, vielleicht einfach, weil es möglich war, aber nicht unbedingt aufgrund des Drucks der Zucht", sagt Lauren Excofier, Genetikerin an der Universität Bern. Diese Entdeckungen legen nahe, dass nur aufgrund einer Zunahme der Mutationshäufigkeit nicht geschlossen werden kann, dass dies unter dem Einfluss natürlicher Selektion geschieht. „In einer Reihe von Experimenten versuchen sie, Methoden zu entwickeln, um diese rein neutralen Effekte von Zufall und realer Selektion zu trennen“, sagt Oscar Halachek.

Excopier und Kollegen versuchten, die Auswirkungen der Vergrößerung des menschlichen Lebensraums zu untersuchen, indem sie die Migrationsmuster der französischsprachigen Kanadier im 19. und 20. Jahrhundert analysierten. Dank detaillierter genealogischer Aufzeichnungen konnten Forscher feststellen, wer und wann ihren Wohnort geändert hat. Nach den 2011 in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnissen hatten Frauen an der Grenze des Wohngebiets 15% mehr Kinder als andere. "Menschen auf dem Kamm der Ausbreitungswelle haben mehr Gene in der Bevölkerung hinterlassen als in der Mitte", sagt Excofier. "Daher sind sich Menschen und Bakterien etwas ähnlich - Individuen an der Grenze ihrer Lebensräume beeinflussen eher den Genpool künftiger Generationen."

Aufzeichnungen zeigten, dass Grenzfrauen ein Jahr zuvor geheiratet hatten, wodurch sie mehr Kinder bekommen konnten. Und obwohl die genauen Gründe dafür nicht klar sind, glaubt Exoffier, dass frühe Ehen aufgrund des geringeren Wettbewerbs an der Grenze entstehen. "Sie waren Bauern, sie hatten mehr Ressourcen als diejenigen, die im Zentrum der Bevölkerung blieben, wo bereits alle guten Plätze besetzt waren", sagt er, so dass es für Männer einfacher war, Frauen zur Verfügung zu stellen.

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"Ich kenne keine Beweise dafür, dass die Erweiterung des Einflussbereichs den kooperativen Arbeitsstil der menschlichen Bevölkerung beeinflusst, aber beide Studien zeigen, dass dies im Prinzip zum Nutzen des kooperativen Verhaltens funktionieren kann", sagt Gour.

Foster ist skeptischer, wie stark sich die Expansion auf die Zusammenarbeit auswirkt. "Es hätte in größerem Maßstab passieren können, aber ich bin nicht sicher, ob die Bevölkerungserweiterung irgendwie die Zusammenarbeit bei nicht-mikrobiellen Organismen fördert", sagt er. Soziale Insekten, eine andere Gruppe von Organismen, die eine ganze Reihe von Beispielen für kooperatives Verhalten aufweisen, „machen die Dinge ganz anders“, sagt er. "Mit dem Wachstum der Kolonie zeigen sie keine räumliche Ausdehnung oder genetische Trennung."

Das Verständnis der mikrobiellen Zusammenarbeit kann aus anderen Gründen wichtig sein, sagt Joao Xavier , Computerbiologe am Arch Research Center. Sloane Kettering in New York. Zum Beispiel könnte die Dynamik der räumlichen Ausdehnung erklären, wie dichte Tumoren die Fähigkeit erlangen, sich durch Metastasen auszubreiten.

In gewissem Sinne wirken Krebszellen wie Betrüger in einem kooperativen Körper. Aber die erfolgreichsten Krebsarten arbeiten auch zusammen. Zellen, die Blutgefäße in den Tumor ziehen, "kommen sich selbst und ihren Nachbarn zugute", sagte Xavier, ein Chemieingenieur zu Beginn seiner Karriere, der untersuchte, wie Bakterienkolonien zur Reinigung von Wasser verwendet werden können. "Dies ist eine kooperative Eigenschaft." Xavier, Foster und ihre Kollegen haben bereits in Simulationen gezeigt , dass die in Mikroben vorhandene Dynamik auch auf Krebszellen angewendet werden kann.

Laut Foster beginnt sein Team, komplexere mikrobielle Kolonien zu untersuchen. Die meisten Laboruntersuchungen beschränken sich auf ein oder zwei Stämme, aber auf unserer Haut oder beispielsweise im Darm können Hunderte oder sogar Tausende von Arten leben, die, wie Wissenschaftler erfahren haben, eine zentrale Rolle für die menschliche Gesundheit spielen. "Mikroben sind nicht nur mit ihren Betrügerkollegen konfrontiert, sondern auch mit einer ganzen Reihe anderer Bakterien und Viren", sagt Foster. "Wenn wir die mikrobielle Gemeinschaft im Darm oder an der Infektionsstelle manipulieren oder verändern wollen, müssen wir verstehen, wie sie interagieren, um zu verstehen, wie sie reagieren werden."

Eine wachsende Anzahl wissenschaftlicher Arbeiten zur räumlichen Ausdehnung führt zu düstereren Fragen: Was passiert, wenn es keinen Ort gibt, an dem man wachsen kann? Die Antwort hängt von den Umständen ab. Wenn die Ressourcen knapp werden, stirbt die gesamte Bevölkerung. Wenn es genügend Ressourcen gibt, aber nicht erweitert werden kann, beginnen betrügerische Belastungen zu gewinnen.„Wenn eine Population ihre Expansion beendet hat, können kooperative Phänotypen aussterben, weil ihr Mechanismus vollständig von der Expansion abhängt“, sagt Desai.

Andererseits stabilisieren sich die Populationen selten vollständig. „In natürlichen Populationen wird die Zusammenarbeit aufgrund häufiger Expansionsfälle unterstützt“, sagt Kirill Korolev , Physiker an der Boston University, ein Kollege von Gour. "Vielleicht treten in regelmäßigen Abständen große Schocks auf, wie z. B. Waldbrände, nach denen sich die Populationen langsam erholen."