Ein 600-mal wiederholtes Experiment findet Hinweise auf die Geheimnisse der Evolution

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Schneeflocken aus Hefe in einem Labor bieten Einblicke in den Übergang des Lebens auf der Erde von einzelligen zu mehrzelligen Organismen.

Von Veronique Greenwood

In einem Labor in Atlanta kämpfen täglich Tausende Hefezellen um ihr Leben. Diejenigen, die noch einen Tag überleben, wachsen am schnellsten, vermehren sich am schnellsten und bilden die größten Klumpen. Etwa ein Jahrzehnt lang haben sich die Zellen so entwickelt, dass sie aneinander hängen und verzweigte Schneeflockenformen bilden.

Diese seltsamen Schneeflocken stehen im Mittelpunkt von Experimenten, die untersuchen, was vor Millionen von Jahren passiert sein könnte, als sich einzellige Lebewesen zum ersten Mal zusammenschlossen, um mehrzellige Lebewesen zu werden. Dieser Prozess, wie auch immer er ablief, führte schließlich zu unhandlichen, sagenhaft seltsamen Organismen wie Kraken, Straußen, Hamstern und Menschen.

Obwohl angenommen wird, dass sich die Mehrzelligkeit in der Geschichte des Lebens auf der Erde mindestens 20 Mal entwickelt hat, ist es alles andere als offensichtlich, wie Lebewesen von einer einzelnen Zelle zu vielen werden, die ein gemeinsames Schicksal haben. Doch in einem am Mittwoch in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Artikel enthüllen Forscher einen Hinweis darauf, wie Zellen beginnen könnten, sich zu einem Körper aufzubauen. Das Team, das die Schneeflockenhefe herstellte, stellte fest, dass die Hefeklumpen im Laufe von 3.000 Generationen so groß wurden, dass sie mit bloßem Auge sichtbar waren. Im Laufe der Zeit entwickelten sie sich von einer weichen, matschigen Substanz zu etwas mit der Zähigkeit von Holz.

Will Ratcliff, Professor an der Georgia Tech, begann während seines Graduiertenstudiums mit den Hefeexperimenten. Inspiriert wurde er von Richard Lenski, einem Biologen an der Michigan State University, und seinen Kollegen, die über mehr als 75.000 Generationen hinweg zwölf Fläschchen E. coli gezüchtet und damit seit 1988 dokumentiert haben, wie sich die Populationen verändert haben. Dr. Ratcliff fragte sich, ob eine Evolutionsstudie, die das Zusammenkleben von Zellen fördert, Aufschluss über die Ursprünge der Mehrzelligkeit geben könnte.

„Alle uns bekannten Abstammungslinien dieser entwickelten Mehrzelligkeit haben diesen Schritt vor Hunderten von Millionen Jahren vollzogen“, sagte er. „Und wir haben nicht viele Informationen darüber, wie einzelne Zellen Gruppen bilden.“

Also führte er ein einfaches Experiment durch. Jeden Tag wirbelte er Hefezellen in einem Reagenzglas herum, saugte diejenigen auf, die am schnellsten zu Boden sanken, und nutzte sie dann, um die Hefepopulation des nächsten Tages zu züchten. Er argumentierte, dass, wenn er die schwersten Individuen oder Zellklumpen auswählte, ein Anreiz für die Hefe bestünde, einen Weg zu finden, zusammenzuhalten.

Und es funktionierte: Innerhalb von 60 Tagen erschien die Schneeflockenhefe. Wenn sich diese Hefen aufgrund einer Mutation teilen, trennen sie sich nicht vollständig voneinander. Stattdessen bilden sie verzweigte Strukturen aus genetisch identischen Zellen. Die Hefe war vielzellig geworden.

Aber die Schneeflocken, stellte Dr. Ratcliff fest, als er die Untersuchung fortsetzte, schienen nie sehr groß zu werden und blieben hartnäckig mikroskopisch klein. Er schreibt Ozan Bozdag, einem Postdoktoranden in seiner Gruppe, einen Durchbruch im Zusammenhang mit Sauerstoff bzw. Sauerstoffmangel zu.

Für viele Organismen fungiert Sauerstoff als eine Art Raketentreibstoff. Es erleichtert den Zugriff auf die im Zucker gespeicherte Energie.

Dr. Bozdag gab im Experiment einigen Hefen Sauerstoff und züchtete andere, die eine Mutation aufwiesen, die sie davon abhielt, sie zu verwenden. Er fand heraus, dass die Hefe, der es an Sauerstoff mangelte, im Verlauf von 600 Transfers explosionsartig an Größe zunahm. Ihre Schneeflocken wuchsen und wuchsen und wurden schließlich mit bloßem Auge sichtbar. Eine genauere Untersuchung der Strukturen ergab, dass die Hefezellen viel länger als normal waren. Die Zweige hatten sich verheddert und bildeten einen dichten Klumpen.

Diese Dichte könnte erklären, warum Sauerstoff offenbar ein Hindernis für das Wachstum der Hefe war, meinen die Wissenschaftler. Für Hefen, die Sauerstoff nutzen könnten, hatte die Vergrößerung erhebliche Nachteile.

Solange die Schneeflocken klein blieben, hatten die Zellen im Allgemeinen gleichen Zugang zu Sauerstoff. Aber große, dichte Bündel führten dazu, dass die Zellen innerhalb jedes Klumpens vom Sauerstoff abgeschnitten waren.

Hefen, die keinen Sauerstoff nutzen konnten, hatten dagegen nichts zu verlieren, und so kamen sie auf den Markt. Das Ergebnis legt nahe, dass die Ernährung aller Zellen in einem Cluster ein entscheidender Teil der Kompromisse ist, mit denen ein Organismus auf dem Weg zur Mehrzelligkeit konfrontiert ist.

Auch die Cluster, die sich gebildet haben, sind hart.

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

Diese Stärke könnte der Schlüssel zu einem weiteren Schritt in der Entwicklung der Mehrzelligkeit sein, sagt Dr. Ratcliff – der Entwicklung so etwas wie eines Kreislaufsystems. Wenn Zellen im Inneren eines großen Klumpens Hilfe beim Zugang zu Nährstoffen benötigen, ist ein Körper, der stark genug ist, um einen Flüssigkeitsfluss zu kanalisieren, von entscheidender Bedeutung.

„Es ist, als würde man mit einem Feuerwehrschlauch in eine Hefegruppe schießen“, sagte Dr. Yunker. Wenn der Zellklumpen schwach ist, wird er durch diesen Nährstofffluss zerstört, bevor jede Zelle Nahrung erhält.

Das Team untersucht nun, ob dichte Klumpen aus Schneeflockenhefe Möglichkeiten entwickeln könnten, Nährstoffe zu ihren innersten Mitgliedern zu transportieren. Wenn ja, könnten uns diese Hefen in ihren Reagenzgläsern in Atlanta etwas darüber erzählen, wie es vor Äonen war, als Ihre Vorfahren und viele Lebewesen um Sie herum begannen, Körper aus Zellen zu bauen.

In einer früheren Version dieses Artikels wurde die Zugehörigkeit eines Biologen falsch angegeben. Richard Lenski ist an der Michigan State University, nicht an der University of Michigan.

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