Die Zusammenarbeit blüht in der mikrobiellen Welt

Published on March 23, 2017

Die Zusammenarbeit blüht in der mikrobiellen Welt

Ursprünglicher Autor: Emily Singer
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Abhängig von den äußeren Bedingungen kann der mikrobielle Myxococcus xanthus sowohl eine kompetitive (gelbe) als auch eine kooperative (grüne) Form annehmen.

Trotz seiner einzelligen Struktur können Mikroben auf erstaunliche Weise zusammenarbeiten. Sie können Polymere absondern, die es ihnen ermöglichen, zusammenzukleben und Biofilme zu bilden, um sich vor Antibiotika und anderem Gift zu schützen. Sie können große Mengen an Schmiermittel produzieren, wodurch Kolonien auf weichen Oberflächen wachsen können, und sie können sogar Moleküle produzieren, die nach Eisen suchen, um unter Eisenmangelbedingungen zu leben, beispielsweise beim Menschen.

Diese Verhaltensvielfalt wirft Fragen zur Evolution auf: Wie kann Zusammenarbeit in einem so selbstsüchtigen Umfeld, das von natürlicher Auslese bestimmt wird, gedeihen? "Das klassische Problem ist, dass jede Zusammenarbeit aus Sicht des Einzelnen kostspielig sein wird", sagt Michael Desai , ein Physiker, der sich an der Harvard University den Evolutionsbiologen der Mikrobiologie zugewandt hat. "Das Rätsel ist, wie diese Situation als Ergebnis der Evolution entstehen könnte."

Eine Kooperation - per Definition ein Verhalten, das jemand anderem zugutekommt - kann zum Beispiel darin bestehen, Nahrung oder Schutz bereitzustellen, und in der Regel ist sie für den Geber teuer. Besonders in solchen schnell mutierten Organismen wie Mikroben, die regelmäßig neue Methoden der Täuschung haben, die die Kooperatoren umgeben können.

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

Nach dem einfachsten Modell der natürlichen Auslese gewinnen letztere in einer perfekt gemischten Population von Mitarbeitern und Betrügern normalerweise. Aber theoretische Berechnungen und Experimente mit Mikroben und anderen Organismen haben gezeigt, dass sich unter bestimmten Bedingungen eine Zusammenarbeit entwickeln kann. Gruppen verwandter Personen, die zusammenarbeiten, sind in der Lage, Betrüger zu übertreffen, was erklärt, dass eine Vielzahl von Organismen - Mikroben, Insekten und sogar Menschen - dank der Zusammenarbeit überleben können.

Zwei veröffentlichte Studien haben eine neue Kraft aufgedeckt, die zum Gedeihen der Kooperationspartner beitragen kann: die Erweiterung der Grenzen der Bevölkerung. Beide Studien haben mit Hefe gearbeitet, aber Wissenschaftler argumentieren, dass die Entdeckungen auf andere Arten, einschließlich Menschen, übertragbar sein könnten. "Es ist nicht bekannt, wie weit verbreitet dieser Mechanismus ist, aber es scheint gut möglich, dass er weit verbreitet ist", sagt Desai.

Ein besseres Verständnis der Bedingungen, unter denen die mikrobielle Zusammenarbeit zustande kommt, kann in der Gesundheitsforschung hilfreich sein. Viele menschliche mikrobielle Organismen arbeiten in einem kooperativen Modus, der als Biofilm bekannt ist, und neue Strategien, die die Bildung von Biofilmen verhindern, können Alternativen zu Antibiotika sein, gegen die Mikroben Resistenzen entwickeln können. Die Entdeckungen können auch Aufschluss über die Entwicklung multizellulärer Organismen geben, die aus einer Reihe von Zellen hervorgegangen sind, die zusammenarbeiten, sowie über Krebs, der als eine Reihe von Täuschungszellen angesehen werden kann, die die gesunden und kooperierenden Zellen unseres Körpers angreifen.

Neuland


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

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Mit einem Mangel an Nahrung kooperieren Tausende von einzelnen Myxococcus xanthus und bilden eine Einheit, die Sporen produziert.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die räumliche Übereinstimmung einer statischen Population Keime zum Altruismus treiben kann. Obwohl Betrüger in sehr heterogenen Gruppen von Mikroben gewinnen, können Klumpen kooperierender Mikroben in der Größe von Klumpen von Betrügern destillieren. Zwei populäre und sich einigermaßen überschneidende Theorien der Evolution der Zusammenarbeit sind die Wahl der Verwandten, nach denen Großzügigkeit gegenüber Familienmitgliedern einem der Gene zum Überleben verhilft, und die Wahl der Gruppe, nach der die Gruppe der kooperierenden Mikroben häufiger Erfolg hat als einzelne Mikroben. "Die Vorteile der Zusammenarbeit sind nicht alle Mitglieder der Bevölkerung, sondern nur diejenigen, die entweder in der Nähe oder genetisch ähnlich sind", sagt Desai.

Die meisten Arten leben jedoch nicht unter statischen Bedingungen. Sie unterliegen ständigen Mengenänderungen und verändern ihren Lebensraum. Veränderungen können zum Beispiel die globale Erwärmung und geologische Zyklen wie die Eiszeit provozieren.

Eine neue Reihe von Studien legt nahe, dass die Expansion der Bevölkerung die Dynamik der Evolution ernsthaft beeinflussen kann. In einer wachsenden Population können zufällige Effekte, die in der Genevolution genauer als Evolutionstheorie bezeichnet werden, einen größeren Einfluss haben als die natürliche Selektion. Infolgedessen kann die Anzahl der gedeihenden, zusammenarbeitenden Mikrobengruppen abnehmen.

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Wenn sich zwei Mikrobenstämme (grün und rot) auf ein neues Territorium ausbreiten, wächst der Stamm, der wahrscheinlich an der Grenze wächst. Das Ergebnis ist ein Plattenspieler-Muster wie in Foto

BDas Experiment im Jahr 2007 hat gezeigt, dass die Auswirkung der Expansion visuell demonstriert wurde. Oscar Halachek [Oskar Hallatschek], Biophysiker an der University of California in Berkeley arbeitet, begann zwei gut gemischte mikrobielle Stämme fallen zu lassen, gefärbt unter Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen in zwei Farben. 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 wird fortgesetzt. Die Ergebnisse waren jedoch völlig unterschiedlich. Die Mikroben begannen sich auf der Petrischale zu teilen und auszubreiten, trennten sich schnell voneinander und bildeten ein „Spinner“ -Muster mit verschiedenen Abschnitten bestimmter Farben. "Dies ist ein sehr starker Effekt, der nur sehr schwer zu vermeiden ist", sagt Halachek.

Die Entdeckungen haben sich zu einer hervorragenden Illustration des Phänomens des genetischen Surfens entwickelt, das einige Jahre zuvor theoretisch vorhergesagt worden war. (Unter den Forschern gibt es viele Physiker, die sich unter anderem für das Potenzial interessieren, Evolutionstheorien zu modellieren und zu testen.) In großen statischen Populationen ist die Wahrscheinlichkeit, dass neue neutrale Mutationen (die ihre Eignung für die Evolution nicht beeinflussen) fixiert werden, äußerst gering. Nach dem Surf-Modell ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich Mutationen an der Grenze einer wachsenden Population ausbreiten, jedoch viel höher - sie regulieren die Expansionswelle gewissermaßen - und sie verstärken sich, weil sich eine kleine Anzahl von Zellen an diesem Ort vermehrt. In der Arbeit von 2007 erklärten Halachek und seine Kollegen, wie genetische Abweichungen sowohl das genetische Surfen als auch das Auftreten des „Spinner“ -Musters fördern können. Grüne Bakterien teilen sich und bilden mehr grüne Kolonien. wegen dem, was der grüne Keil wächst. "Bei einer wachsenden Kolonie dreht sich alles um die Lage", sagt Halachek. "Auch wenn Sie ein perfekter Mutant sind, müssen Sie genau an dieser Grenze sein, um erfolgreich zu sein, sonst haben Sie keine Chance."

Die Halachik-Experimente lieferten den ersten direkten Beweis dafür, dass „das Surfen die Vielfalt neutraler Gene in einer großen natürlichen Population dramatisch verändern kann“, sagt Loren Exckoffie , eine Spezialistin für Populationsgenetik an der Universität Bern in der Schweiz, die nicht mit Forschung verbunden ist.

Die Entdeckung zeigt nicht nur einen bemerkenswerten Kontrast zwischen statischen und sich ausbreitenden Populationen, sondern auch die wichtige Rolle, die die Zufälligkeit bei der Entwicklung spielt, die unter geeigneten Bedingungen stattgefunden hat. "Es geht darum, die Bedeutung des Zufalls zu vervielfachen", sagt Kevin Foster , ein Evolutionsbiologe an der Universität Oxford, der mit dieser Arbeit nicht in Verbindung gebracht wird. "Dies bedeutet, dass einige Eigenschaften, auch solche, die der Evolution nicht vorzuziehen sind, rein zufällig sehr verbreitet werden können."

Khalcheks Arbeit „inspirierte viele Forschungen, um zu verstehen, wie natürliche Selektion und Bevölkerungserweiterung funktionieren und welche genetischen Spuren sie hinterlassen“, sagt Desai. - Unsere Arbeit setzt dieses Thema fort. Wir haben über die Genetik einer wachsenden Bevölkerung nachgedacht und festgestellt, dass dies zur Zusammenarbeit führt. “

Wenig Teamarbeit


Foster und Kollegen schlugen vor, dass die Expansion eine weitere treibende Kraft für die Zusammenarbeit mit Hilfe einer detaillierten Computermodellierung von Mikroben im Jahr 2010 sein könnte. Das Modell bestätigte die Entdeckungen von Halachek und brachte sie einen Schritt weiter, was darauf hindeutet, dass die Erweiterung der Bevölkerungsgrenzen optimale Bedingungen für die Zusammenarbeit von Organismen schafft.

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

Kürzlich haben zwei Gruppen von Wissenschaftlern diesen Effekt auf echte Mikroben demonstriert und die besonderen Bedingungen hervorgehoben, unter denen sie Altruismus entwickeln könnten. Um die Zusammenarbeit in Hefe zu untersuchen, verwendeten die Forscher zwei Arten - die Kooperationspartner, die das Enzym, das Saccharose spaltete, zu ihrem Lieblingsfutter aus Mikroben, Glukose und Betrügern isolierten, die dies nicht konnten. Fast alle von Mitarbeitern produzierten Lebensmittel wurden in die Umwelt abgegeben, wo sie sowohl von Mitarbeitern als auch von Betrügern genossen werden konnten.

Im Experiment von Desai, veröffentlicht in der Zeitschrift Current BiologyEin Tropfen Flüssigkeit, der beide Hefetypen enthielt, wurde auf eine Petrischale gegeben. Während sich die Mikroben aufteilen und in unbewohnten Raum ausdehnen, besetzten die Betrüger und die Mitarbeiter die Grenze der Bevölkerung nach dem Zufallsprinzip. Dies führte zu einem „Gründereffekt“, bei dem engmaschige mikrobielle Gruppen an der Grenze lebten. "Wer als erster vor den anderen abwanderte, hatte mehr Nachkommen", sagt Desai.

In der Regel wuchs die Population der Genossenschaftshefe schneller als die Population der individualistischen Betrüger, da die Genossenschaften in einem neuen Gebiet gewöhnlich schneller wuchsen. "Sie gewinnen an der Grenze der Bevölkerung, und infolgedessen wird die gesamte Grenze von Mitarbeitern besetzt", sagt Desai. "Die räumliche Ausdehnung einer Bevölkerung kann die Chancen für eine erfolgreiche Weiterentwicklung der Zusammenarbeit drastisch verbessern."

Desaias Mikroben könnten in zwei Dimensionen wachsen, aber einige Fälle der Expansion sind eindimensional - zum Beispiel Vögel, die sich entlang einer Inselkette bewegen. Physiker MIT Jeff Gour [Jeff Gore] Kollegen analysiert eindimensionalen Fall, und Kultivieren der Mischung CON Mikroben in dünnen Röhrchen mit Flüssigkeit gefüllt kooperieren. Sie bewegten die Keime manuell und überführten täglich einen Teil der Flüssigkeit in ein neues Röhrchen. Im Gegensatz zu Desais betrügerischen Mikroben, die ohne Kooperation überleben konnten, brauchten Gouras Betrüger Kooperativen zum Essen und Überleben und drangen in die wachsende Population von Kooperativen ein.

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Jeff Gour

Die Forscher verglichen die Expansionsgeschwindigkeit der Genossenschaften an der Grenze mit der Reproduktionsgeschwindigkeit der Betrüger, die dahinter standen. Damit die Kooperationspartner erfolgreich sein konnten, mussten sie schneller expandieren als die angegriffenen Betrüger. In Arbeitveröffentlicht in Proceedings der National Academy of Sciences, wird gezeigt, dass sich unter rauen Bedingungen in einer gemischten Bevölkerung Mitstreiter ausbreiten und Betrüger sterben. Wenn sich jedoch sowohl Mitspieler als auch Betrüger im leeren Raum entwickeln, überholen die Mitspieler die Betrüger nur unter milden, aber nicht unter rauen Bedingungen. (Die Migrationsrate wird berechnet, indem die Dichte der Population jeder der Röhren gemessen wird, die mit der Zeit wächst.) "Es ist erstaunlich, wie räumliche Ausdehnung die Zusammenarbeit bevorzugt - sie erobern neue Gebiete schneller, als Betrüger sie erobern können", sagt Gour.

Kooperationspartner haben bevorzugten Zugang zu den Früchten ihrer Arbeit, da einige der von ihnen sezernierten Enzyme in ihren eigenen Zellwänden stecken. Und dies ist wichtig bei geringer Zelldichte, weil "den Zellen unter solchen Bedingungen Zucker fehlt", sagt Gour. „So können Mitarbeiter einen Teil des Gesamtzuckers auffressen, bevor er sich auflöst.“

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

Neben Mikroben


Natürlich sind Mikroben nicht die einzigen Organismen, die eine Population vergrößern oder eine Kooperation manifestieren. Im Prinzip können die gleichen Faktoren, die für Hefe eine Rolle spielen, auf höhere Organismen angewendet werden, obwohl Wissenschaftler vorsichtig bemerken, dass es noch keine Beweise dafür gibt.

"Es bleibt abzuwarten, wie weit verbreitet ein solcher Effekt in der Natur ist", sagt Desai. Viele Arten dehnen ihr Territorium saisonal oder langfristig aus. Hat die Abwanderung von Menschen aus Afrika vor Zehntausenden von Jahren zu Präferenzen für die Zusammenarbeit geführt?

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Expansion von Menschen


Eine wachsende Population trägt ein charakteristisches genetisches Merkmal, und dieses Merkmal wurde beim Menschen gefunden. Das Problem ist jedoch, dass dieses Zeichen dem Zeichen ähnelt, das durch natürliche Auslese erhalten bleibt. Die Menschen könnten "ohne ersichtlichen Grund aus Afrika abwandern, vielleicht nur, weil es möglich war, aber nicht unbedingt aufgrund des Drucks durch die Selektion", sagt Loren Exckofie, Populationsgenetikerin an der Universität Bern. Diese Entdeckungen legen nahe, dass es unmöglich ist, zu schließen, dass dies nur aufgrund einer Zunahme der Mutationshäufigkeit unter dem Einfluss der natürlichen 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.

Exskofie und Kollegen versuchten, die Auswirkungen der Zunahme des menschlichen Lebensraums zu untersuchen, indem sie die Migrationsmuster der französischsprachigen Kanadier im 19. und 20. Jahrhundert analysierten. Dank detaillierter genealogischer Aufzeichnungen konnten die Forscher feststellen, wer und wann ihren Wohnort gewechselt hatte. Laut den im Jahr 2011 in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Ergebnissen hatten Frauen an der Grenze der Wohnregion 15% mehr Kinder als andere. "Menschen, die sich auf dem Scheitel der Ausbreitungswelle befanden, hinterließen mehr Gene in der Bevölkerung als diejenigen in der Mitte", sagt Excolfe. "Daher sind sich Menschen und Bakterien einigermaßen ähnlich - Individuen an der Grenze des Lebensraums haben einen größeren Einfluss auf den Genpool künftiger Generationen."

Aufzeichnungen zeigen, dass Grenzfrauen ein Jahr zuvor verheiratet waren, was ihnen erlaubte, mehr Kinder zu bekommen. Und obwohl die genauen Gründe dafür nicht klar sind, geht Exskofie davon aus, dass frühe Ehen durch weniger Konkurrenz an der Grenze verursacht werden. "Sie waren Bauern, sie hatten mehr Ressourcen als diejenigen, die im Bevölkerungszentrum blieben, wo alle guten Plätze bereits vergeben waren", sagt er, so dass es für Männer einfacher war, für ihre Frauen zu sorgen.

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"Ich kenne keine Beweise dafür, dass die Ausweitung des Lebensraums den kooperativen Stil der menschlichen Bevölkerung beeinflusst, aber beide Studien zeigen, dass dies im Prinzip zum Vorteil des kooperativen Verhaltens wirken kann", sagte Gour.

Foster ist skeptischer, wie sehr Expansion die Zusammenarbeit beeinflusst. "Es hätte in größerem Maßstab passieren können, aber ich bin mir nicht sicher, ob die Expansion der Bevölkerung die Zusammenarbeit zwischen nicht-mikrobiellen Organismen irgendwie fördert", sagt er. Soziale Insekten, eine andere Gruppe von Organismen, die eine ganze Reihe von Beispielen für kooperatives Verhalten demonstrieren, „machen alles ganz anders“, sagt er. "Mit dem Wachstum der Kolonie zeigen sie keine räumliche Ausdehnung oder genetische Segregation."

Das Verständnis der mikrobiellen Zusammenarbeit könnte aus anderen Gründen wichtig sein, sagt Joa Xavier[Joao Xavier], ein Computational Biologist am Arch Center für sie. Sloane-Kettering in New York. Beispielsweise könnte die Dynamik der räumlichen Ausdehnung erklären, wie dichte Tumoren die Fähigkeit erlangen, sich durch Metastasen auszubreiten.

In gewisser Weise verhalten sich Krebszellen wie Betrüger in einem kooperativen Körper. Aber die erfolgreichsten Krebsarten wirken auch zusammen. Zellen, die Blutgefäße zu einem Tumor anlocken, "handeln zum Wohle ihrer selbst und ihrer Nachbarn", sagt Xavier, ein ehemaliger Chemieingenieur, der zu untersuchen begann, wie Bakterienkolonien zur Reinigung von Wasser verwendet werden können. "Dies ist eine genossenschaftliche 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 Laborstudien beschränken sich auf ein oder zwei Stämme, aber auf unserer Haut oder zum Beispiel 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 Mitbetrügern 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 von wissenschaftlichen Arbeiten zur räumlichen Expansion führt zu noch dunkleren Fragen: Was passiert, wenn es keinen Platz zum Wachsen gibt? Die Antwort hängt von den Umständen ab. Wenn die Ressourcen knapp werden, stirbt die gesamte Bevölkerung. Wenn die Ressourcen ausreichen, es aber keinen Platz zum Erweitern gibt, gewinnen betrügerische Sorten. „Wenn die Population expandiert, können kooperative Phänotypen aussterben, da ihr Mechanismus vollständig von der Expansion abhängt“, sagt Desai.

Andererseits stabilisieren sich Populationen selten vollständig. „In natürlichen Populationen wird die Zusammenarbeit aufgrund häufiger Expansionsfälle aufrechterhalten“, sagt Kirill Korolev, ein Physiker der Boston University, ein Kollege von Goura. "Es ist möglich, dass in regelmäßigen Abständen starke Erschütterungen wie Waldbrände auftreten, nach denen sich die Populationen langsam erholen."