Erste Schritte einer Mikroorganismus-Wirt-Symbiose aufgedeckt
Schützende symbiotische Mikroorganismen sind heute als weitverbreitete Bestandteile der pflanzlichen, tierischen und menschlichen Mikrobiota bekannt. Bei Fliegen zum Beispiel produzieren die ererbten Bakterien Toxine, die die Fortpflanzungsfähigkeit der Parasiten reduzieren. Bei Kakaobäumen verringern schützende Mikroorganismen die Auswirkungen von Blattpilzpathogenen. Sie werden auch beim Menschen zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt und bilden die Grundlage für die Fäkaltransplantation, bei der Mikroorganismen aus den Fäkalien gesunder Menschen in den Darm von Behandelten transplantiert werden. Da sich Mikroorganismen recht schnell weiterentwickeln können, besteht die Möglichkeit, dass symbiotische Mikroorganismen, die länger lebende Wirte wie Säugetiere und Bäume schützen, sich schneller weiterentwickeln und Infektionen schneller bekämpfen als die Wirte selbst. „Wir haben getestet, ob Mikroorganismen den koevolutionären Wettlauf mit den Krankheitserregern ‚übernehmen‘ könnten“, sagt Kayla King(öffnet in neuem Fenster), Professorin für Evolutionsökologie an der Universität Oxford(öffnet in neuem Fenster) und Koordinatorin des Projekts COEVOPRO, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) unterstützt wurde. „Ich habe nachgewiesen(öffnet in neuem Fenster), dass sich Mikroorganismen innerhalb von Tagen im Sinne des Schutzes weiterentwickeln können, was die Möglichkeit eröffnet, dass mikrobenvermittelte Abwehrkräfte im Verlauf der Evolution den Kampf gegen Krankheitserreger für die Wirte übernehmen können“, fügt King hinzu. Auf diese Weise könnten defensive Symbionten wirksamer als das Immunsystem des Wirts sein. Im Rahmen des Projekts wurde außerdem untersucht, wie dieser Prozess ablaufen könnte, wenn die defensiven Symbionten zu den vielen innerhalb einer komplexen Wirtsmikrobiota gehören, und der Frage nachgegangen, ob diese schützenden Effekte dann abgeschwächt werden.
Mit neuartiger Nematoden-Mikroben-Interaktion herausfinden, wie symbiotische Beziehungen entstehen
Um zu erkunden, wie sich die schützende Symbiose von Beginn an weiterentwickelt hat, untersuchte das Team Nematoden und Mikroorganismen. Bislang hat die Forschung bei der Betrachtung von schützenden Symbiosen ihre Schlussfolgerungen auf der Grundlage bewährter Beispiele gezogen. Dabei wird nicht angesprochen, wie eine solche Symbiose entsteht. Da Nematodenwürmer und die projektintern genutzten Mikroorganismen in der Natur nicht gemeinsam vorkommen, entschied sich das Projektteam für diese Versuchsarten, die im Labor erstmalig miteinander interagierten.
Wie verläuft die Evolution des Schutzes durch symbiotische Bakterien?
Das Team von COEVOPRO untersuchte die Evolution des Wirts und der symbiotischen Bakterien, wobei die „erfolgreichen“ Varianten, die die Infektion überlebenden Wirte, und die symbiotischen Bakterien, die diese überlebenden Wirte besiedelten, weitergegeben wurden. „Experimentelle Evolution ist eine bewährte Methode, die eine kontrollierte Analyse der Faktoren gestattet, die die Geschwindigkeit und das Muster der Interaktionen zwischen den Arten beeinflussen“, erklärt King. Das Team fand heraus, dass defensive Mikroben die Art und Weise prägen können, wie sich Wirte und Krankheitserreger über Generationen hinweg gegenseitig beeinflussen. Es ermittelte, dass sich eine Wirtseigenschaft mit der Bezeichnung „Toleranz“ weiterentwickelt, bei der die Wirte eine pathogene Infektion verkraften, anstatt sie zu beseitigen, weil defensive Mikroorganismen die virulenten Auswirkungen der Infektion reduzieren. „Wir haben dann festgestellt, dass sich die Erreger, um erfolgreich infizieren zu können, wechselseitig derart weiterentwickelt haben, dass sie den mikrobiellen Schutz und nicht die wirtsspezifischen Abwehrmechanismen überwinden. Diese Ergebnisse zeigen uns, dass defensive Mikroorganismen der wichtigste Faktor für die Evolution von Wirt und Krankheitserreger waren“, so King in einer wissenschaftlichen Arbeit(öffnet in neuem Fenster), die in der Fachzeitschrift „Current Biology“ veröffentlicht wurde. Der Schutz hat Kosten und Nutzen – das Ganze ist ein Kompromiss: „Wir entdeckten, dass Schutz und Kosten durch Symbionten nur ein Zahlenspiel sind. Wir fanden heraus(öffnet in neuem Fenster), dass mehr schützende Mikroorganismenzellen in einem Wurmwirt einen größeren Schutz vor Krankheitserregern bieten können, aber auch mehr Kosten in Bezug auf die Gesundheit des Wirts verursachen.“ King ist sich sicher, dass die Unterstützung durch den ERC den entscheidenden Unterschied für ihr Projekt bedeutete. „Es war eine Ehre, eine Finanzhilfe, einen ERC Starting Grant zu erhalten. Somit bekam ich die Möglichkeit, mit hervorragenden Kolleginnen und Kollegen zusammenzuarbeiten und schützende Mikroorganismen besser zu verstehen. Die Auswirkungen dieser Abwehrmechanismen gegen Infektionskrankheiten sind zahlreich und spannend“, betont sie.
