Ein 600 Mal wiederholtes Experiment findet Hinweise auf die Geheimnisse der Evolution

In einem Labor in Atlanta kämpfen täglich Tausende von Hefezellen ums Überleben. Organismen, die einen weiteren Tag leben, wachsen schneller, vermehren sich schneller und bilden die größten Ansammlungen. Seit etwa einem Jahrzehnt entwickeln sich Zellen so, dass sie sich aneinander heften und verzweigte Schneeflockenformen bilden.

Diese seltsamen Schneeflocken stehen im Mittelpunkt von Experimenten, die untersuchen, was vor Millionen von Jahren passiert sein könnte, als einzellige Organismen zusammenkamen, um mehrzellige Organismen zu werden. Dieser Prozess führte jedoch schließlich zu solch fantastisch unpraktischen und bizarren Kreaturen wie Kraken, Strauße, Hamster und Menschen.

Obwohl angenommen wird, dass sich die Mehrzelligkeit in der Geschichte des Lebens auf der Erde mindestens 20 Mal entwickelt hat, ist nicht klar, wie Organismen von einer einzelnen Zelle zu vielen Organismen mit einem gemeinsamen Schicksal übergingen. Aber in Ein Forschungsbericht, der am Mittwoch in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurdeForscher enthüllen einen Hinweis darauf, wie sich Zellen im Körper zu bilden beginnen. Das Team, das Schneeflockenhefe herstellte, stellte fest, dass über 3.000 Generationen hinweg Hefeklumpen so groß geworden waren, dass sie mit bloßem Auge sichtbar waren. Im Laufe der Zeit hat es sich von einem weichen, matschigen Material zu etwas mit der Härte von Holz entwickelt.

Will Ratcliffe, Professor an der Georgia Tech, begann während seines Graduiertenstudiums mit Hefe zu experimentieren. Er wurde von Richard Lenski, einem Biologen der Michigan State University, und Kollegen inspiriert, die über mehr als 75.000 Generationen hinweg zwölf Fläschchen E. coli gezüchtet und seit 1988 dokumentiert haben, wie sich Populationen verändert haben. Dr. Ratcliffe fragte sich, ob die Untersuchung der Evolution, die das Zusammenkleben von Zellen fördert, Aufschluss über die Ursprünge der Mehrzelligkeit geben könnte.

„Alle Abstammungslinien, von denen wir wissen, dass sie Vielzelligkeit entwickelt haben“, sagte er, „haben diesen Schritt vor Hunderten von Millionen Jahren gemacht.“ „Und wir haben nicht viele Informationen darüber, wie einzelne Zellen Cluster bilden.“

Also machte er ein einfaches Experiment. Jeden Tag ließ er die Hefezellen in einem Reagenzglas rotieren, saugte diejenigen auf, die am schnellsten zu Boden sanken, und nutzte sie dann, um am nächsten Tag die Hefepopulation zu vergrößern. Er argumentierte, dass die Selektion auf die schwersten Individuen oder Zellgruppen einen Anreiz für die Hefe gäbe, einen Weg zu finden, zusammenzuhalten.

Und es hat funktioniert: Innerhalb von 60 Tagen ist Schneeflockenhefe entstanden. Wenn sich diese Hefen teilen, trennen sie sich dank der Mutation nicht vollständig voneinander. Stattdessen bilden sie verzweigte Strukturen aus genetisch identischen Zellen. Hefe ist vielzellig geworden.

Aber Ratcliffe stellte fest, dass die Schneeflocken, während er seine Untersuchungen fortsetzte, offenbar nicht sehr groß geworden waren und hartnäckig mikroskopisch klein blieben. Er schreibt Ozan Bozdag, einem Postdoktoranden in seiner Gruppe, den Durchbruch bei Sauerstoff oder Hypoxie zu.

Sauerstoff dient vielen Lebewesen als eine Art Raketentreibstoff. Die im Zucker gespeicherte Energie ist leicht zugänglich.

Dr. Bozdag gab einigen der Hefen im Experiment Sauerstoff und transplantierte andere, die eine Mutation aufwiesen, die sie an der Verwendung hinderte. Er fand heraus, dass im Laufe von 600 Transfers das Volumen der sauerstoffarmen Hefe explodierte. Ihre Schneeflocken wuchsen und wuchsen und wurden schließlich mit bloßem Auge sichtbar. Eine genaue Untersuchung der Formulierungen ergab, dass die Hefezellen viel länger als normal waren. Die Zweige waren zu einem dichten Büschel verflochten.

Wissenschaftler glauben, dass diese Dichte erklären könnte, warum Sauerstoff das Hefewachstum so stark behindert. Für Hefen, die Sauerstoff nutzen könnten, hatte die Vergrößerung ihres Volumens große Nachteile.

Solange die Schneeflocken klein blieben, hatten die Zellen im Allgemeinen gleichen Zugang zu Sauerstoff. Aber die großen, dichten Füllungen bedeuten, dass die Zellen innerhalb jedes Klumpens vom Sauerstoff abgeschnitten sind.

Hefe, die keinen Sauerstoff nutzen kann, hat dagegen nichts zu verlieren, und so kam es zu einem großen Erfolg. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ernährung aller Zellen in einem Cluster ein wichtiger Teil der Kompromisse ist, mit denen ein Organismus konfrontiert ist, wenn er mehrzellig wird.

Auch die Gruppenbildung ist schwierig.

„Die Energiemenge, die benötigt wird, um diese Dinger zu zerstören, ist um mehr als eine Million gestiegen“, sagte Peter Junker, Professor an der Georgia Tech und Mitautor der Studie.

Diese Kraft könnte der Schlüssel zu einem weiteren Schritt in der Entwicklung der Mehrzelligkeit sein, sagt Dr. Ratcliffe – der Entwicklung so etwas wie eines Kreislaufsystems. Wenn Zellen innerhalb einer großen Masse Hilfe beim Zugang zu Nährstoffen benötigen, ist ein Objekt wichtig, das stark genug ist, um den Flüssigkeitsfluss zu lenken.

„Es ist, als würde man mit einem Feuerwehrschlauch auf eine Hefemasse schießen“, sagte Dr. Juncker. Wenn die Zellmasse gering ist, wird sie durch diesen Nährstoffzufluss zerstört, bevor jede Zelle Nahrung aufnehmen kann.

Das Team untersucht nun, ob dichte Klumpen Schneeflockenhefe Wege entwickeln könnten, um Nährstoffe an ihre innersten Organe zu liefern. Wenn ja, dann könnten uns diese Hefen in ihren Reagenzgläsern in Atlanta etwas darüber erzählen, wie es vor Äonen war, als Ihre Vorfahren und viele Organismen um Sie herum begannen, Körper aus Zellen aufzubauen.