Elements of the Microbial Evolution
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Formal Metadata
| Title |
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| Title of Series | ||
| Number of Parts | 340 | |
| Author | ||
| License | CC Attribution - NonCommercial - NoDerivatives 4.0 International: You are free to use, copy, distribute and transmit the work or content in unchanged form for any legal and non-commercial purpose as long as the work is attributed to the author in the manner specified by the author or licensor. | |
| Identifiers | 10.5446/55129 (DOI) | |
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Content Metadata
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| Abstract |
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Computer animation
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Transcript: German(auto-generated)
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Meine Damen und Herren, ich möchte mich über Evolution mit Ihnen unterhalten. Dazu werde ich ein paar Zeichnungen, einfache Zeichnungen Ihnen zeigen.
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Und mit dieser ersten Darstellung möchte ich einfach in Erinnerung rufen, dass die Evolution natürlich von Veränderungen im Erbgut, der Mutation, mal zwingend abhängt. Wenige dieser Mutanten werden selektiv bevorzugt, werden unter den herrschenden Lebensbedingungen
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sich stärker vermehren als andere und deshalb längerfristig beibehalten werden. Und dann noch das Phänomen der Isolation, sei es geografisch oder reproduktiv, das kennen wir auch. Wenn natürlich zwei verschiedene Lebewesen nicht in dem gleichen Bereich sind,
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ist es nicht möglich, dass sie miteinander irgendwelche Austauschprozesse vollführen. Nun müssen wir uns bewusst sein, dass lebende Organismen ja nicht, so wie wir das im Laboratorium normalerweise machen, Reinkulturen sind.
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Ich spreche jetzt hier von Bakterien. In der freien Natur sind Bakterien Mischkulturen mit vielen verschiedenen Arten von Bakterien. Und da hat es auch Viren drin, es hat Plasmide drin und wir werden sehen, dass diese Viren und Plasmide auch hin und wieder Gene von einem dieser Lebewesen
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auf ein anderes übertragen und diese Lebewesen können auch von anderer Art sein. Wir nennen ja das Ökosystem und ein Ökosystem setzt sich einmal zusammen aus der rein physikalisch-chemischen Grundzusammensetzung des Bereiches.
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Wir müssen uns aber bewusst sein, dass die Lebensäußerungen der dort lebenden Organismen sich wiederum gegenseitig beeinflussen. Das heißt, die Lebensbedingungen hängen nicht nur vom physikalisch-chemischen Hintergrund ab, sondern auch von den Tätigkeiten, von den Aktivitäten, von den Lebensäußerungen der Organismen.
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Das, glaube ich, ist soweit nichts Neues. Das Einzige, was ich jetzt vielleicht noch sagen wollte zu Evolution, einfach in Erinnerung rufen, dass Evolution ja, wie wir das verstehen, nicht gerichtet ist. Wir haben kein eigentliches Ziel, wohin die Evolution gehen möchte.
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Diese Veränderungen sind auch nicht zielgerichtet. Sie fallen mehr oder weniger nach den Gesetzen des Zufalls herein und werden dann eben einzelne davon selektioniert. Und je nachdem, Selektion hängt von den Lebensbedingungen ab,
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ist also nicht ein konstanter Faktor, sondern wenn diese Lebensbedingungen sich hier ändern, wird auch die Selektion entsprechend anders sein. Also, vielleicht krass ausgedrückt, der nächste Schritt der biologischen Evolution ist nicht ein Supermensch,
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sondern ist Anpassen beliebiger Lebewesen an die sich verändernden Umweltsbedingungen. Und deshalb ist es schon so, wir realisieren das zu wenig, dass selbstverständlich Mikroorganismen, einzellige Bakterien und auch deren Viren und deren Plasmide ebenfalls evolvieren,
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in einen stetigen Wandel begriffen sind. Man kann Prozesse, und ich werde mich nun vornehmlich auf die Mutationsauslösung beschränken, die spontane Mutationsauslösung, also nicht das, was der Mensch als Mutagenese nennt,
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sondern alle spontane Mutationen, und die kann man relativ einfach mit Bakterien und deren Viren und deren Plasmide studieren. Zunächst einmal, weil diese Lebewesen und Viren ja haploid sind,
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sie haben nur einen Satz von Erbinformation, und deshalb werden Veränderungen im Erbgut sich sehr schnell manifestieren, kommen unmittelbar zum Ausdruck. Das zweite ist, wir können mit Mikroorganismen relativ einfach dann feststellen,
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welche Art von Veränderung stattgefunden hat, vor allem, wenn Sie das mit Viren oder mit Plasmiden machen, ist es heute, die Technik ist verfügbar, dass man untersuchen kann, welche Art von Veränderung den veränderten Phänotyp gibt.
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Und das ist eigentlich ein gewaltiger Fortschritt gegenüber früher, und selbstverständlich Charles Darwin hat nicht gewusst, was die Basis dieser Veränderung ist, und heute können wir dieses Problem eigentlich experimentell angehen.
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Das Verständnis der Evolutionsprozesse ist meiner Ansicht nach aus einer Reihe von Gründen sehr wichtig. Ich zitiere vielleicht nur drei davon. Es ist für die heute uns doch so wichtig erscheinenden ökologischen Fragestellungen von großer Bedeutung,
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weil unser heutiges ökologisches Problem liegt ja vornehmlich darin, dass wir die Lebensbedingungen der Lebewesen in den Ökosystemen sehr schnell zeitlich verändern. Da kommt es eben drauf an, die Selektionsbedingungen werden geändert und es müssen genügend Veränderungen da sein, damit das Leben beibehalten werden kann.
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Das Verständnis der Evolutionsprozesse und vor allem der Mutation ist auch wichtig in der Beurteilung von Risiken der Rekombinanten-DNA-Technologie. Vor allem wenn es um Freisetzungsversuche gibt, muss man eben das abwägen, diese Risiken,
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und vergleichen, und es ist gut zu wissen, wie die Natur normalerweise eben Mutationen hervorbringt, damit man das menschengemachte, die menschenzeugten Mutationen auch eben in diesem Umfeld beurteilen kann.
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Schließlich scheint mir das Verständnis für die Evolution eine wichtige weltanschauliche Komponente zu haben und wenn die Zeit am Schluss genügt, werde ich noch darüber ein paar Worte sagen. Nun, ich habe für die Englischsprachigen eine Reihe dieser Projektionen auf Englisch geschrieben.
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Ich glaube, Deutsch werde ich das erklären. Also, ich habe hier eine Liste, die ist nicht absolut vollumfänglich, von spontanen Mutationsprozessen und wir sehen, es hat eine grosse Diversität von Mechanismen. Ich spreche gerne so von Mischstrategien der Natur, verschiedenartige Prozesse zu haben.
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Sehr gut bekannt sind die Untreue in der DNA-Replikation, darüber ein paar kurze Worte. Dann selbstverständlich Mutagene, die überall vorhanden sind, auch ohne Beitun des Menschen,
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hat es gewisse chemische Stoffe, die Teil unseres Körpers sind, die auch Mutagen wirken. Und dann aber, was lange Zeit vernachlässigt wurde, eine ganze Reihe von Rekombinationsprozessen. Und wenn ich sage Rekombinationsprozesse, dann meine ich damit Enzymgeleitete Prozesse.
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Sei es nun die allgemeine Rekombination, welche an homologen DNA-Segmenten funktioniert, sei es ortsspezifische Rekombination. Und da werde ich dann ein paar Hinweise geben, dass eben sogenannte sekundäre Kreuzungsstellen auch in der Natur eine gewichtige Rolle spielen.
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Dann das ganze Phänomen der Transposition, der hüpfenden Gene. Und dann gibt es noch eine ganze Reihe anderer, die noch wenig bekannt sind und deshalb als illegitim gelten.
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Wichtig, ich werde auch darüber ein paar Worte sagen, die Akquisitionsstrategie in der Natur, die eine relativ grosse Bedeutung für die Evolution hat. Nun, wiederum, was ich Ihnen hier zeige, ist wahrscheinlich einfach allgemeines Wissen.
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Aber ich glaube, um das Umfeld zu verstehen, ist es wichtig, sich zu erinnern. Mutation ist ja eine Veränderung der Sequenz der Nukleotide, der Nukleinsäure. Sehr häufig sind solche Veränderungen letal. Das heisst, es gibt dann keine Reproduktion mehr. Oft ist auch die Veränderung absolut unwesentlich für dieses betroffene Lebewesen.
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Und diese Art von Mutation kann später einmal vielleicht relevant werden zusammen mit anderen. Dann gibt es manchmal Mutationen, die die Lebensprozesse hindern.
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Das gibt einen selektiven Nachteil, also wo die Selektion wirkt. Und eigentlich eher selten ist das nützlich und gibt dann diesen selektiven Vorteil. Also, sind wir uns bewusst, was immer wir als Mutationsphänomene anschauen,
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sind wenige davon nur, die die evolutionären Vorteile geben. Und wiederum, dieser Vorteil hängt von den Lebensbedingungen ab, die, wie ich gesagt habe, sich im Laufe der Zeit und auch lokal verändern. Also nicht immer die gleichen Art von Mutationen, die Vorteile geben.
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Nun, nur ganz kurz, ich habe hier extra nicht Fehler geschrieben, sondern Untreue, weil ich eigentlich finde, Mutationen, die evolutionär wichtig sind, sollten wir eigentlich aus prinzipiell weltanschaulichen Gründen nicht als Fehler charakterisieren.
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Es wurde gestern auch schon erwähnt, dass das auf Charles Darwin zurückgeht. Und ich bin voll hinter dieser Anschauung. Es ist auch so, dass bei der Replikation eigentlich relativ häufig nicht die absolut korrekte Nukleotide eingebaut werden.
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Wir haben aber dann das Phänomen der Reparatur, welche mitwirken, diese Untreue zu verbessern und die Treue der Replikation zu erhöhen. Das ist übrigens ein Phänomen, das man sehr weit verbreitet in der belebten Natur findet,
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dass antagonistische Prozesse wirken. Einerseits etwas zu machen, das ist natürlich enzymgeleitet, und andererseits gibt es Barrieren, dass das, was von einem gemacht wird, nicht zu häufig passiert. Das ist nur ein Beispiel. Und was dann eigentlich so wie sich das eingespielt hat unter diesen Selektionsbedingungen,
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ist das gerade das ideale Situation, dass man ein bisschen ein Gleichgewicht erzielt von eben in dem Fall Veränderungen, das heißt Mutationen. Selbstverständlich werden nicht alle diese untreuen Paarungen repariert,
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weil die Reparatur kann nur so lange funktionieren, bis die nächste Replikationsrunde über diesen Doppelstrang DNA gegangen ist. Und dann ist die Mutation fixiert. Ich werde jetzt ein paar Worte sagen über ortsspezifische Rekombination
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und das anhand von DNA-Inversion. In dieser Zeichnung habe ich die Elemente dargelegt, die für die sogenannte C-Inversion, das ist ein DNA-Segment, und das Segment, das umgedreht werden kann,
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ist limitiert durch solche Kreuzungsstellen mit dem Namen SIX. Ich habe hier zwei auf diesem Plasmid eingezeichnet, das ist eine experimentelle Anordnung. Und diese Kreuzungsstellen haben eine Zweifachsymmetrie.
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Die Pfeile deuten Homologien an, links und rechts, mit den Polaritäten. Die ganze Sequenz ist aber polar, wegen diesen zwei zentralen Basenpaaren, die nicht symmetrisch sind AA. Und wir wissen, dass wenn das Gen für eine Rekombinase, dass diese ortsspezifische Rekombinase zum Ausdruck kommt,
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haben wir in der Zelle drin diese DNA-Rekombinase, welche hier an diesen beiden Stellen die Rekombination ausführen kann. Wir wissen, dass der eine Strang hier durchgebrochen wird und der andere nicht gezeichnete Strang hier,
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sodass ein Zwei-Basenpaare-Einzelstrang-Überhang da ist, drei Strich, sodass die Rekombination ohne irgendwelchen Verlust einfach geschehen kann. Dieses Stück wird dann umgedreht und später wird es wieder umgedreht und wieder umgedreht und wieder und so weiter. Und je nachdem hat es manchmal hier Leseraster, die über diese Umdrehstelle gehen.
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Dann haben wir kombinierte Gene mit einem Konstanten- und einem Variabenteil, wie in den Immunsystemen wir das auch kennen. Oder wir haben auf der einen Seite einen Promoter und auf der anderen Seite Leseraster. Und je nachdem, wie die Orientierung ist, wird das zum Ausdruck kommen oder nicht.
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Aus diesem Grunde ist dieses Phänomen in der Literatur als Kontrolle der Genexpression geschildert, was man natürlich machen kann. Ein Beweis dafür, dass das ein gutes System der Kontrolle der Genexpression ist, ist allerdings nicht vorhanden.
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Interessanterweise sind hier etwa 70 Basenpaare, die ein Teil dieses Leserasters für das Rekombinationsenzym darstellt, welche noch eine ganz andere biologische Funktion hat. Es wirkt dort als Sequenz, als Bindung für einen Faktor für Inversionsstimulation, FIS.
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Das Gen ist auf dem Chromosom von Bakterien. Und dieses Faktor bindet sich an zwei Stellen auf dieser Sequenz. Und ich habe das extra hier gezeichnet.
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Wenn nämlich auf diesem Plasmid diese Sequenz, nur diese grüne Sequenz, nicht ist, dann ist die Inversionsfrequenz sehr tief, praktisch unexistent. Wenn das ganze Gen drauf ist, geht alles gut. Das Gen kann aber auch natürlich auf einem anderen Genträger sein, wie hier.
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Es kann durch Zytoplasma das Enzym wirken. Aber diese Sequenz kann nicht durch Zytoplasma wirken. Das ist die DNA-Sequenz. Und wenn Sie die hier hineinklonen, dann geht plötzlich diese Inversion sehr gut. Ich habe eine mögliche Modellvorstellung hier gezeichnet.
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Ob das der Wirklichkeit entspricht, muss ich offen lassen. Aber man kann sich so ein bisschen vorstellen, wie das geht. Hier ist ein Plasmid mit den zwei Kreuzungsstellen und dieser Enhancer-Sequenz, wo das FIS-Protein sich bindet.
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Übrigens an den beiden Kreuzungsstellen bindet die sinnere Kombinase. Und das findet sich dann so. Hier passiert aber im Moment noch gar nichts. Wenn sich in diesem Supercoil-DNA nun diese Enhancer-Sequenz mit den gebundenen FIS-Proteinen heraufwindet in diese Situation, dann schnappt es sein und dann rekombiniert es.
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Und das ganze Prozess wird wieder losgelassen. Das Interessante daran ist, dass wahrscheinlich wegen dieser Geometrie der Enhancer noch eine Rolle hat, mit grosser Wahrscheinlichkeit nur Inversion zu geben und keine Deletionsbildung.
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Deletion könnte man sich hier auch vorstellen, wenn man die doppelte Symmetrie dieser Sequenz anschaut. Übrigens kann man sogar zeigen, dass wenn Sie diese Kreuzungsstellen hier rein so hineinbringen, dass die Pfeile in die gleiche Richtung schauen,
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dass sehr, sehr selten nur Deletionsbildung passiert. Also es ist eine topologische Bevorzugung des Inversionsprozesses gegenüber anderen DNA-Umstrukturierungen. Nun habe ich schon angedeutet, dass mir eigentlich eine andere Hypothese lieber sei,
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als dass diese Systeme in der Natur als Kontrollelemente für Genexpression dienen. Das möchte ich Ihnen hier klarstellen. Was Sie hier sehen, ist linear gezeichnet, eine E-Karte eines Plasmids, das Shigeru Ida in meinem Laboratorium vor einigen Jahren konstruiert hatte.
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Hier haben wir das Zin-Gene, hier hat es natürlich die Enhancer-Sequenz drauf. In grün habe ich hier die Promotoren für das Zin-Gene, das ist der nicht der natürliche Promoter, das ist ein relativ starker La-Q-V-5-Promoter, der hier wirkt, dann ist hier ein Promoter, aber es ist kein Laseraster hinter diesem Promoter.
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Hier haben wir ein Promoter für Ampicillin-Resistenz, das Gen hier dient uns nur, um zu zeigen, dass das Plasmin in der Zelle ist. Dann haben wir ein Gen für Canamicin-Resistenz, aber es hat keinen Promoter. Dieser Promoter zeigt an der Richtung, der ist nicht stark genug und hat inzwischen Terminatoren,
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sodass das hier nicht mehr zur Ausdruck kommt. Deshalb ist eine Bakterienzelle, in welcher dieses Plasmin sich findet, nicht canamicin-resistent. Wenn Sie eine Kultur aufwachsen lassen und viele Kolonien testen, ob canamicin-Resistenz da ist,
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finden Sie in etwa einer in zehn hoch fünf Kolonien resistente Bakterien. Und wenn Sie diese Bakterien reinigen, dann können Sie sehen, was passiert ist, dass nun dieses Canamicin-Gen zum Ausdruck kommt. Diese Stellen wurden alle in unabhängigen Isolaten charakterisiert.
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Jede diese Stelle repräsentiert eine oder mehrere unabhängige Prozesse, die alle Inversionsprozesse sind. Sie sehen, wir haben auf dem Plasmin ein gutes Kreuzungsstelle für diese zinnere Kombi-Nase.
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Diese Sequenz ist hier und in Farbe, was dem Konsensus entspricht für diese Kreuzungsstellen. Also eine Kreuzungsstelle, die sehr stark dem Konsens entspricht, wird häufig verwendet.
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Wir sehen aber, dass nun diese Stelle hier zum Beispiel diente mit dieser zusammen als Kreuzungsstellen. Wenn Sie sich das vorstellen, Sie das hier umdrehen zwischen diesen zwei Punkten, dann kommt dieser Canamicin-Leseraster, wird umgedreht und ist unmittelbar hinter diesem La-Q-V-5-Pro-Motor.
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Selbstverständlich ist das Zinn-Gen zerstört, das ist es auch dann, aber spielt ja keine Rolle. Oder wenn Sie hier G nehmen und das rekombinieren mit Gix, dann wird dieser Pro-Motor umgedreht und unmittelbar vor das Leseraster von Canamicin kommen
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und Canamicin ebenfalls zum Ausdruck bringen. Wir haben all diese identifizierten Orte sequenziert und die Sequenzen sehen Sie hier und in Farbe, das was noch dem Konsens entspricht. Sie sehen beliebige Abweichungen vom Konsens und Sie sehen, dass in häufiger, in sehr enger Abfolge,
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finden sich solche sekundäre Kreuzungsstellen. Und die Anzahl Isolate, die die gleiche Stelle hatte, ist hier markiert. Das hier wurde sechsmal unabhängig gefunden, diese zweimal, das fünfmal, zweimal, die andere nur einmal.
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Und wenn wir noch fleißiger gewesen wären, hätten wir sicher noch viel mehr solche Stellen gefunden. Das heisst, hier ist ein Enzym am Werk, welches DNA umdreht, häufig an nur wenigen Stellen das macht, mit abnehmender Frequenz an Stellen,
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die immer weniger dem Konsens entsprechen. Der Biochemiker nennt das Fehler. Ich glaube, dass das vielleicht doch nicht so ist. Meine Hypothese, Arbeitshypothese, die natürlich schwer zu beweisen ist,
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ist, dass hier eigentlich diese Enzyme, die Umdrehungen machen, evolutionär von großer Bedeutung sind und deshalb in Populationen zum Ausdruck kommen und wirksam sind, in grossen Populationen von Mikroorganismen. Und in diesen Populationen seltene Mutationen zustande bringen, wie wir hier haben,
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die nun unter Umständen bei sich verändernden Lebensbedingungen Vorteile bringen können. Die meisten sind natürlich letal oder unrelevant, das ist klar, wie ich das gesagt habe. Aber wir suchen ja schon lange nach Prozessen, bei denen bestehende Leseraster,
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unter anderem Genkontrollen kommen oder bei denen gewisse Domäne mit anderen Domänen eines Genes rekombinieren können. Und hier haben wir einen Prozess und es gibt wahrscheinlich viele andere ähnliche Prozesse, die enzymatisch geleitet sind.
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Das Enzym schaut im Prinzip, es ist ein, wir nennen es immer noch, ortsspezifisches Enzym. Mit tiefen Frequenzen werden auch andere Orte als der spezifische verwendet und das gibt die große Mannigfaltigkeit an Möglichkeiten. Ich nenne das ein Variationsgenerator-Prinzip.
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Das Interessante an dem ist, dass ein Enzym, das ist gegen das Konzept des Biochemikers, eigentlich, wenn man nur am Schluss des Prozesses schaut, was entstanden ist in dieser biochemischen Reaktion, haben wir eine große Mannigfaltigkeit von Produkten,
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die also nicht reproduzierbar sind in der Art und Weise, wie wir das normalerweise von enzymgeleiteten Prozessen erwarten. Und wenn man sich überlegt, welche Art von Strategie in der Revolution die Mutationen hervorbringen sollen, das ist genau dieses Prinzip, dass einfach möglichst viele Variationen
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immer wieder kommen, verschiedener Art. Und ich glaube, es ist wichtig nun zu verstehen, dass dazu Umstrukturierungen eine Rolle spielen, sowohl wie auch eben die sogenannten Punktmutanten, Nukleotidsubstitutionen, Kleine Deliktionen und so weiter.
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Das Prinzip des Variationsgenerators habe ich hier an einem Modell mal klargestellt. Sie können annehmen, das sei ein Bakterium. Und hier in diesem Modell nehme ich an, dass sobald vier Zellen durch Zweiteilungen entstanden sind,
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wird eine eine Mutation erleiden. Ich nehme auch an, dass die Mehrzahl der Mutationen letal sind, wie hier. Das heisst, es hat keine Nachkommen. Und Sie sehen dann, eine Zelle verteilt sich noch. Hier haben wir zufällig noch keine Mutation. Hier hätten wir schon eine Letalmutation. Hier haben wir eine Mutation, die nicht letal ist, die sich auch weiter verbreitet und so weiter.
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Hier ist wiederum eine solche Mutation. Hier eine neue. Hier ist sogar aus dem Blauen heraus bereits wieder eine Mutation entstanden. Viele sterben ab, aber in den grossen Populationen spielt ja das keine Rolle. Sie sehen, wenn Sie nur die parentalen Bakterien anschauen,
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hier hatten wir eine Zelle, hier haben wir zwei, dann drei, vier. Bei jeder Generation sind mehr davon. Die parentalen vermehren sich schon auch. Aber wir haben mehr und mehr Mutanten drin. Selbstverständlich ist die Mutationsfrequenz in der Natur nicht ganz so gross wie ein in vier.
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Man nimmt an, dass bei E. coli aufgrund von Beobachtungen und Messungen etwa eine Mutation pro 100 Zellen jeweils passieren. Also nicht pro 100 Generationen, sondern pro 100 Zellen. Das ist so, wie Sie das finden.
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Und ich kann mir vorstellen, dass andere Lebewesen ähnliche oder vielleicht veränderte Mutationsfrequenzen haben. Wichtig ist natürlich in dem Prinzip, dass wegen den vielen Letalen die Mutationsfrequenz tiefer ist als eins pro Genom pro Generation.
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Variationsgeneratorprinzip sieht man auch in Transpositionsprozessen. Das nur ganz kurz hier. Transposition ist ja charakterisiert, dass eine gewisse Sequenz aus der DNA sich freisetzen kann und anderswo einfügen. Ich möchte jetzt nicht auf die komplexen Prozesse, die sich dabei abspielen, eingehen.
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Wiederum können dadurch zelluläre Funktionen entweder komplett zerstört werden, zum Beispiel in diesem Gen E, oder verändert. Oder wenn dieses Segment E nicht bedeutungsvoll ist, dann wird das toleriert, spielt dann keine Rolle. Wir wissen, dass Transpositionsprozesse nicht hier immer nur diese einfache Transposition geben, wie hier charakterisiert,
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sondern auch Deletionsbildung, auch Inversionen. Also Inversion kann man auch hier erhalten. Und Replikonfusion, das heißt Fusion zweier, unabhängiger replizierter DNA-Moleküle.
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Und zum Teil gibt es relativ komplexe sekundäre Umstrukturierungen. Variationsgeneratorprinzip sind wir deshalb, weil diese Elemente hier, jedes, es gibt eine ganze Reihe solcher transponierbaren Elemente, sogar bei E. coli.
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Und jedes hat sein Charakteristikum für die Auswahl des Installationsortes. Gewisse der Elemente gehen relativ hoch, ortsspezifisch, schauen wirklich auf diese Sequenz hier. Andere, und das ist höchst interessant, schauen auf eine Gegend. Wir haben mit ES2 Studien gemacht, in dem gezeigt worden konnte,
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dass in einer gewissen Gegend eines Genoms ES2 häufig sich einfügte, aber fallweise immer wieder an einen anderen Ort. Dass also nicht wirklich die Insertionssequenz als solche dort ausgewählt wird, sondern die ganze Gegend.
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Das hat wahrscheinlich mit der Strukturcharakterisierung der DNA, der doppelschwenigen DNA zu tun. Also, wenn man so will, eine Zufallskomponente spielt hier immer mit, sowohl hier bei der Transposition, wie bei der ortsspezifischen Rekombination, wo uns sekundäre Kreuzungsstellen genommen werden, aber das Enzym ist dahinter.
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Das heißt, es ist nicht ein absolut reiner Zufall. Das Enzym hat eine gewisse Präferenz für Gegenden oder auch Sequenzen. Für mobile genetische Elemente sehe ich eigentlich für Einzelzellen keine Bedeutung.
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Für das Individuum spielt das keine Rolle, ob ein ES-Element da sei oder nicht. Für Populationen hingegen ja, weil dann eben Veränderungen im Laufe der Zeit in Populationen, nach dem Schema, das ich erläutert habe, passieren.
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Diese Veränderungen sind alles genetische Umstrukturierung von bestehendem Material. Und nun in gemischenden Populationen, wie wir es in der Natur finden, haben wir natürlich dann die Möglichkeit, auch celluläre Gene in natürliche Genvektoren einzubauen. Das ist experimentell gut untersucht.
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Die bestbekannten Beispiele sind ja die Verbreitung der Antibiotikaresistenz seit etwa 1950. Weil wir sehr viel Antibiotika eingesetzt haben, ist in diesen Bereichen des Menschen und der Haustiere natürlich die Selektionsbedingungen drastisch verändert worden.
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Und man sieht heute Zeugen dieser Revolution, indem man viele der ursprünglich zellulären Gene jetzt auf Viren, auf Plasmiden findet, welche die in Entrobakterien übertragen haben und wo diese Resistenzgene heute zum Ausdruck kommen.
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Transposition spielt dann auch wieder beim Einbau von übertragenen zellulären Genen in ein infiziertes neues Wirtsbakterium eine Rolle. Und ich möchte jetzt noch kurz auf die Bedeutung der Akquisitionsstrategie in der Natur hinweisen.
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Akquisition wäre also übertragen von zellulären Genen, die aus dem Chromosom einmal heraus rekombiniert sind in ein Plasmid, welches übertragbar ist, oder in ein Virus hinein, dann übertragen auf ein anderes Bakterium.
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Wir wissen, dass in der Wirtschaft die Akquisitionsstrategie sehr beliebt ist. Es ist zwar teuer, aber in einem Schritt kann man sehr viel, wenn man die Finanzen aufbringen kann, kann man in einem Schritt sehr viel bezwecken. Viel mehr, als wenn Sie sich vornehmen, alles in Ihrer eigenen Firma selbst zu entwickeln.
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Hier, das ist mühsam, verlangt meistens eine ganze Reihe von Schritten. Die Natur befolgt selbstverständlich wie die Wirtschaft beide Strategien, sowohl die Eigenentwicklung wie die Akquisition, das ist klar. Und die spontanen Mutationen, die wir vorher besprochen haben,
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die in einem Bakterium, in einem Virus immer wieder hereinkommen, tragen ja zu dieser Eigenentwicklung bei. Wenn aber ein funktionierendes Gen oder auch nur ein funktionierendes Domain, welches diese Zelle noch nicht hatte, übertragen wird von einem anderen Lebewesen,
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dann ist das ein wichtiger Schritt. In einem einzigen Schritt ist diese Funktion dann plötzlich da. Und das geht, weil der genetische Code doch universelle Natur hat, mit den Ausnahmen, die wir heute schon kurz besprochen haben, ist sehr wahrscheinlich, dass Gene, die von einem Lebewesen kommen,
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in anderen gut funktionieren, das wissen wir auch heute schon. Dann ein interessanter Aspekt, wenn Viren oder Plasmide, fremde Diener in andere Bakterien übertragen, wirken ja meistens Restriktionsphänomene.
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Die Restriktionsenzyme haben eine doppelte Funktion. Die erste Funktion ist, eine Barriere zu bilden gegen Aufnahme von fremdem Erbgut. Wiederum sehen wir hier diese antagonistisch wirkenden Prinzipien der Natur. Einerseits, Akquisition ist eine sehr wertvolle Strategie,
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biologische Funktionen auf andere Lebewesen zu verbreiten und denen Möglichkeiten zu geben, die sie sonst nicht hätten. Wenn aber zu häufig DNA horizontal transferiert wird, kann das für die empfangenen Zellen allenfalls schwerwiegende Bedeutung haben.
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Es ist auch schwierig, wenn zu grosse DNA-Segmente aufgenommen werden, denn dann ist sehr wahrscheinlich die Harmonie der Zelle gestört, wenn viele verschiedene Gene aufs Mal hereinkommen. Und so sehe ich in den Restriktionsphänomenen, die wir studiert haben,
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einerseits ein Immunsystem gegen Aufnahme von fremdem Erbgut. Das ist aber sinnvollerweise nicht absolut narrensicher, sondern mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wird auch DNA akzeptiert. Und die aufgenommene DNA wird fragmentiert in Stücke, sodass eigentlich die Natur die Strategie der Akquisition in kleinen Schritten betreibt.
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Das ist ein Unterschied gegenüber der Wirtschaft. Bei der Wirtschaft ist es doch heute so, dass je grösser der Brocken ist, der er akquisiert werden kann, umso besser. Aber in der Natur ist es je kleiner, je besser. Eingehen ist gut, ein Domain ist sogar schon gut.
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Und das ist, wie es in der Natur passiert. Und ich glaube, diese Strategie ist deshalb von großer Bedeutung. Ich zeichne deshalb den Evolutionsbaum als Netzwerk. Das war früh, das ist heute, und Zukunft geht so. Also, dass zu jeder Zeit, Sie müssen sich den Baum ja,
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dürfen sich ja nicht zweidimensional vorstellen. Ich will jetzt nicht abstimmen, wie vieldimensional, aber sicher auch nicht dreidimensional. Evolutionsböme sind n-dimensional, wobei ich die Zahl n nicht kenne. Also, diese Querverbindungen, jederzeit kann hier irgendwo ein Austausch passieren.
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Und hier nur die kleine Schritte, während hier in der vertikalen Evolution selbstverständlich Mutationen sich einfinden im gesamten Genom. Kein Unterschied. Hier, all diese Prozesse, die wir besprochen haben, wirken hier. Und hier, das Horizontale ist dann diese einzelnen Schritte.
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Ja, ich sehe, die Uhr ist unten. Ich möchte vielleicht noch ganz kurz das Weltanschauliche doch berühren. Das ist eine Zeichnung, die ich vor ein paar Monaten machte für eine Bioethiktagung im Europarat in Straßburg.
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Was ich hier sage, geht eigentlich gut, ist eine gute Illustration zu den Thesen meines Vorredners. Mir scheint, dass in unserer Bevölkerung heute zu viel Beachtung auf Individuen gelegt wird und zu wenig auf Populationen.
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Auch viele Wissenschaftler befassen sich eigentlich ausschließlich mit Individuen. Und man hat dann die Tendenz zu glauben, dass biologische Prozesse eigentlich nur dem Individuen dienen. Selbstverständlich sagen Sie jetzt alle ja nein, das glaube ich nicht.
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Aber untergründig ist es doch so, dass man sich sehr stark mit diesem Einzelleben befasst. Auch die Biochemie isoliert Enzyme und der Biochemiker ist vor allem dann glücklich, wenn die Reaktion reproduzierbar ist. Das Variationsgeneratorprinzip ist, wenn man es streng nimmt, nicht reproduzierbar.
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Es kommt immer wieder etwas anderes heraus, sind auch hier Enzyme dabei beteiligt. Darf aber nur in grossen Populationen wirken, sonst ist eben das Leben gestört. Auch die Medizin, selbstverständlich, befasst sich mit diesem Teil hier. Und bitte verzeihen Sie mir, das Ganze ist natürlich absolut zu schematisch gezeichnet.
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Es stimmt lange nicht alles, wenn ich dann noch Sorge um Einzelleben und die Individualethik vergleiche mit der Sozialethik. Da ist mir klar, dass das nicht absolut stimmt. Aber es ist doch hier eine fundamentalistische Komponente drin. Mit dem Glauben an die Einmaligkeit der Schöpfung sagt es.
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Die ja im letzten Jahrhundert Charles Darwin probiert hat, umzustoßen. Es ist ihm zwar gelungen, aber meine Ansicht ist, dass in der Weltanschauung eigentlich das noch nicht mit der genügenden Breite verankert ist. Und wir müssen uns einfach, und ich glaube aus diesem Grund ist es wichtig,
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dass wir jetzt begonnen haben, zu verstehen, wie die molekularen Prozesse hier sind für diesen Städtenwandel. Wir kennen die Vielfalt, diese Mischstrategien von Mutationsphänomenen. Und das gesamthaft gesehen gibt diesen Städtenwandel der Lebewesen.
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Darauf wirken natürlich Selektionen und so weiter. Das ist für die Ökologie ja von großer Bedeutung. Und um unsere ökologischen Probleme zu verstehen, sollten wir uns viel mehr auch diesen Prozessen in Populationen widmen. Und uns Gedanken machen,
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ob nicht viele biologische Funktionen eigentlich vornehmlich hier ihren Sinn haben. Und auch selektioniert wurden in den Milliarden, Jahrmillionen von biologischer Revolution. Dass da eine Art von Lebewesen, welche zum Beispiel solche Inversionsenzyme hatte,
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dass die sich besser immer wieder in Populationen adaptieren kann an sich verändernden Umweltsbedingungen. Und dass das eigentlich ein Grund ist, warum wir diese Enzyme haben, eher als dass es einem Individuum einfach diese zwei Möglichkeiten gibt, das immer hin und her dreht, was eigentlich, ich glaube, nicht so bedeutungsvoll ist.
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Und wichtig scheint mir, dass wir nicht Darwinismus gegen Fundamentalismus ausspielen, sondern eine gewisse Stabilität des Lebens ist selbstverständlich notwendig. Der Wandel darf nur sanft, sachte vorkommen. Und wir brauchen beide. Wir sollten eigentlich integral denken
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und diese beiden Aspekte miteinander nehmen. Das ist besonders schön, weil viele Enzyme, die für Revolution wirken, auch hier bedeutungsvoll sind. Nehmen wir zum Beispiel den Alligase. Die brauchen wir für das eine und das andere. Und so gibt es noch viele. Aber es gibt wahrscheinlich mehr und mehr, wenn man sich Mühe nimmt,
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auch Enzyme, die wirklich primär hier wirken, allenfalls sekundär auch hier links eine Bedeutung haben können. Nun, mit diesen weltanschaulichen Aspekten möchte ich schließen. Ich glaube, es ist wichtig, dass wir uns Mühe geben, diese Aspekte noch besser zu verstehen
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und hier einzuwirken, dass auch die Bevölkerung das Verständnis für diesen Wandel aufbringt. Ich glaube, das ist eine sehr grosse Bedeutung, gerade für die Beurteilung der Risiken in Gentechnologie. Wenn man nämlich einmal eingesehen hat,
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dass die Natur absolut nur langfristig das Leben entfalten kann und lebenskontinuiert sichern, wenn ein Wandel da ist, dann schauen wir dem doch kleinen Beitrag der Forscher, die sie machen können, ganz anders an. Ich danke für die Aufmerksamkeit.