Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben herausgefunden, dass Escherichia coli unter Hungerstress Bakteriophagen und CRISPR-Cas-Immunität nutzen kann, um DNA zu übertragen und in das eigene Genom einzubauen. Dadurch wird die genetische Neukombination beschleunigt. Der Prozess ähnelt einer primitiven Form sexueller Fortpflanzung und könnte Bakterienpopulationen helfen, sich an veränderte Bedingungen anzupassen. Die Ergebnisse wurden in Molecular Biology and Evolution veröffentlicht.
Jahrzehntelang gingen Wissenschafter davon aus, dass sich Bakterien durch asexuelle Zellteilung, die sogenannte binäre Spaltung, vermehren und gelegentlich freie DNA aufnehmen oder genetisches Material horizontal von Zelle zu Zelle austauschen. In den 1990er-Jahren mehrten sich jedoch Hinweise auf eine primitive Form sexueller Fortpflanzung. Wie verbreitet dieses Phänomen ist, blieb offen. Nun haben der Postdoktorand Pavel Payne und Professor C?lin Guet am ISTA einen Prozess entdeckt, der beim Darmbakterium E. coli sexueller Fortpflanzung ähnelt. „Der Clou ist, dass die Bakterien CRISPR-Cas nutzen – ein Abwehrsystem gegen Bakterienviren, das später zur Grundlage für Technologien zum Genome-Editing wurde“, sagt Guet. „Es stellt sich heraus, dass Bakterien diese Viren nutzen, um DNA untereinander zu transportieren. Empfängerzellen können diese DNA außerdem in ihr eigenes Genom einbauen und vertikal an ihre Nachkommen weitergeben. Das ist de facto Sex.“ Dieser DNA-Transfer scheint stattzufinden, wenn Bakterien kurz vor dem Verhungern stehen.
Die Arbeit baut auf der Entdeckung des horizontalen Gentransfers auf, also der Übertragung von genetischem Material zwischen Organismen auf anderem Weg als durch Vererbung von einer Eltern- an eine Tochterzelle. Das Phänomen wurde vor fast hundert Jahren beschrieben, als bei Bakterien die sogenannte natürliche Kompetenz entdeckt wurde: ein genetisch programmierter Zustand, in dem Bakterien freie DNA aus ihrer Umgebung aktiv aufnehmen und in ihr Genom einbauen können. Dieser Prozess ist jedoch keineswegs weit verbreitet. Nur eine sehr kleine Minderheit der Bakterien ist von Natur aus dazu fähig. In den 1940er-Jahren wurde mit der Konjugation eine weitere Form des horizontalen Gentransfers entdeckt. Sie ermöglicht Bakterien, genetisches Material, darunter auch Gene für Antibiotikaresistenzen, durch direkten Zellkontakt zu übertragen. Dazu verwenden sie röhrenförmige Strukturen, die sogenannten Sexualpili. Einige Jahre später kam ein dritter Mechanismus hinzu, die Transduktion. „Hier wurde es interessanter“, sagt Payne.
Bei einer Form der Transduktion infiziert ein Virus, ein sogenannter Bakteriophage, eine Bakterienzelle und vermehrt sich darin. Dabei kann es versehentlich Fragmente bakterieller DNA verpacken. Diese DNA kann anschließend auf eine andere Zelle übertragen werden. Der Prozess reicht jedoch nicht aus, um einen häufigen DNA-Austausch innerhalb einer Bakterienpopulation aufrechtzuerhalten, denn die große Mehrheit der neu produzierten Viren, die ihr eigenes Genom tragen, würde die anfällige Population letztlich auslöschen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, entwickelten Bakterien Abwehrsysteme wie CRISPR-Cas. Sie greifen das Phagen-Genom an und schützen die Bakterien vor einer erneuten Infektion mit demselben Phagen.
Payne schloss 2016 sein Doktorat am ISTA ab und kehrte 2025 als Postdoktorand in die Gruppe von Guet zurück. Während seiner Doktorarbeit fand er Hinweise darauf, dass das bakterielle Immunsystem zu Herdenimmunität bei Bakterien führen kann. „Herdenimmunität schützt nicht nur die Bakterien, die das Immunsystem direkt tragen, sondern auch jene, die es nicht tragen“, sagt er. „Die entscheidende Frage war, ob Bakterien diesen Mechanismus nutzen könnten, um ihre DNA neu zu kombinieren – und wenn ja, wie häufig. Wäre das der Fall, hätte dies wichtige Auswirkungen darauf, wie sich Bakterien an veränderte Umgebungen anpassen, überleben und evolvieren.“
Genetische Innovation allein durch Mutationen kann vergleichsweise langsam sein. Vorteilhafte Mutationen entstehen im Allgemeinen deutlich seltener als schädliche und treten in unterschiedlichen Individuen auf. Durch DNA-Austausch können diese vorteilhaften Varianten zusammengeführt und Anpassungsprozesse beschleunigt werden. Payne und Guet zeigten, dass Bakterien sich durch die Nutzung ihrer Anti-Phagen-Immunität als primitive Form sexueller Fortpflanzung wesentlich schneller anpassen und evolvieren können, indem sie ihre DNA neu kombinieren. „Sex ist in der Natur weit verbreitet, weil er Anpassung beschleunigen kann“, sagt Payne. „Darüber hinaus könnte derselbe Mechanismus den Bakterien ermöglichen, schädliche Mutationen aus der Population zu entfernen.“ Indem Bakterien Immunität gegen Phagen entwickeln, schützen sie sich nicht nur selbst, sondern ermöglichen auch häufigen Genaustausch. Für anfällige Zellen sind Phagen zwar tödliche Räuber, doch sie werden de facto zu Bestäubern: Sie transportieren bakterielle DNA zwischen Zellen, ähnlich wie Insekten Pollen zwischen Blüten transportieren, und helfen den Bakterien so, ihre genetische Information neu zu kombinieren.
Die ISTA-Forschenden betonen, dass diese Form des horizontalen Gentransfers in Bakterienpopulationen weiterhin relativ selten vorkommt, aber dennoch mehr als hundertmal häufiger auftritt als spontane Mutationen. Unter günstigen Wachstumsbedingungen vermehren sich Bakterien asexuell. Das Team beobachtete jedoch, dass der sexähnliche DNA-Transfer stattfindet, wenn die Bakterien kurz vor dem Verhungern stehen. Ein spezifisches Gen ist für diesen Mechanismus erforderlich, was ihn mit der Hungerreaktion verknüpft. Zusammengenommen zeigte das Team, dass Phagen-Immunität erheblich zur genetischen Vielfalt in Bakterienpopulationen beitragen und damit ihren Einfluss auf die bakterielle Evolution deutlich erhöhen kann. „Aus evolutionärer Sicht kann sexuelle Fortpflanzung unter stressreichen Bedingungen besonders vorteilhaft sein“, sagt Payne. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass E. coli unter Hungerstress eine vergleichbare Strategie zur Neukombination von DNA einsetzen kann.“
Originalpublikation
Pavel Payne, Pavel Plevka, Jonathan P. Bollback, C?lin C. Guet. 2026. Herd immunity underlies homologous recombination in stationary phase bacteria.Molecular Biology and Evolution. DOI: 10.1093/molbev/msag238 https://apps.crossref.org/pendingpub/pendingpub.html?doi=10.1093%2Fmolbev%2Fmsag238
