Evolution der bioenergetischen Pfade in Prokaryoten
Studien zur molekularen Evolution und Daten aus geologischen Aufzeichnungen haben ergeben, dass sich diese bioenergetischen Pfade innerhalb der ersten Milliarde Jahre des Lebens auf der Erde entwickelten. Obwohl jeder Pfad isoliert betrachtet sehr detailliert untersucht wurde, wurde bisher wenig dazu geforscht, wie sich diese Stoffwechselvielfalt entwickelt hat. Sind die Pfade unabhängig voneinander entstanden oder stammen alle von einem gemeinsamen Stoffwechselmodus als Ursprung ab? Haben sich aus bereits existierenden Pfaden neue entwickelt? Das EU-finanzierte Projekt EBIODIP (The emergence of bioenergetic diversity in prokaryotes) überprüfte diese Hypothesen mithilfe einer vergleichenden Genomik- und Phylogenetik-Analyse der wichtigsten Proteinkomplexe, die am im Energiestoffwechsel beteiligt sind. Die meisten bioenergetischen Pfade basieren auf einer Elektronentransportkette (ETC). Diese besteht aus Proteinkomplexen, die als Elektronenspender und -akzeptoren agieren, wobei ein zentraler Cytochrom bc-artiger Komplex und Elektronenüberträger zwischen ihnen stehen, sowie aus einer ATP-Synthase. Die unterschiedlichen Proteinkomplexe, die an verschiedenen ETC beteiligt sind, wurden daher anhand von Daten von 272 Arten von vollständig sequenzierten Bakterien und Archaea miteinander verglichen. Die Forscher analysierten die molekulare Evolution der ATP-Synthase und die Cytochrom-bc-Komplexe, um jegliche Merkmale zu bestimmen, die von einem gemeinsamen Ursprung abgeleitet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Arten nicht auf der Grundlage des bioenergetischen Modus gruppierten. Darüber hinaus fanden sich verschiedene Cytochrom-b-Typen in vielen Linien der Bakterien und Archaeen, die in der phylogenetischen Analyse verschiedene Gruppen bilden. Dies deutet auf einen alten Ursprung dieser Komplexe hin und darauf, dass die Diversifizierung der verschiedenen Cytochrom-b-Typen vor der Diversifizierung der Abstammungslinien stattfand. Darüber hinaus gab es in einigen Fällen Hinweise auf einen produktiven horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Arten von Bakterien und Archaea. EBIODIP enthüllte die molekulare Evolution von zentralen Enzymen von ETC. Die Forscher schlossen auch auf eine Flexibilität von bestimmten Teilen des Systems (beispielsweise ATP-Synthase, die unabhängig von der Art der ETC funktionieren) sowie auf Fälle von Gentransfer, wie etwa bei B-Typ-Cytochromen. Auch wenn das Bild noch nicht vollständig ist, hat EBIODIP einen wichtigen Beitrag zur Beantwortung der Frage geleistet, wie sich die Stoffwechselwege bei Prokaryoten entwickelt haben.
Schlüsselbegriffe
Bioenergetische Pfade, Prokaryoten, molekulare Evolution, Proteinkomplexe, Elektronentransportkette
