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Dialekte der universellen Sprache des Lebens

Die Evolutionsbiologen Falk Hildebrand und Prof. Axel Meyer, PhD, der Universität Konstanz stellten einen Zusammenhang zwischen dem GC-Gehalt der DNA – dem Anteil der Basen Guanin und Cytosin – und der evolutionären Selektion fest. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit Prof. Dr. Adam Eyre-Walker von der Sussex-Universität (England) untersuchten sie die Muster gleichartiger GC-Mutationen in dem Genom von 149 Bakterienarten. Aus ihren Ergebnissen schließen sie, dass GC-Variationen nicht – wie bisher angenommen – aufgrund neutraler Hintergrundprozesse auftreten, sondern durch evolutionäre Selektion auf der Ebene des gesamten Genoms bedingt sind.

Evolutionsbiologe Falk Hildebrand weiß, dass es eine fundamentale gemeinsamkeit gibt, die alle Organismen verbindet: die genetische Information der DNA-Basen © Privat

„So unterschiedlich alles Leben auf dieser Erde auch ist, es gibt dennoch eine fundamentale Gemeinsamkeit aller Organismen: die genetische Information, bestehend aus den vier verschiedenen DNA-Basen“, erklärt Falk Hildebrand: „Das genetische Alphabet besteht aus den Buchstaben G, A, T, C: die Basen Guanin, Adenin, Thymidin und Cytosin.“ Aus der Reihenfolge dieser Basen ergibt sich die universelle „Bauanleitung“ für Proteine des Organismus. Um die Zusammensetzung der Genoms eines Organismus’ zu messen, wird üblicherweise der so genannte GC-Gehalt berechnet – also der prozentuale Anteil von Guanin (G) und Cytosin (C) unter allen Basen der DNA.

Der GC-Gehalt ist innerhalb einer Art immer derselbe, unterscheidet sich aber stark zwischen verschiedenen Organismen: von 17 bis 75 Prozent. „Der GC-Gehalt vermittelt also eine Art Dialekt der universellen Sprache des Lebens“, erläutert Axel Meyer. „In unserer Studie erforschten wir, welche Kräfte diesen Dialekt beeinflussen.“ Dazu wurde der GC-Gehalt von nichtkodierender DNA in einer großen Anzahl verschiedener Bakteriengenome analysiert. Aus einer rein statistischen Perspektive wäre zu erwarten gewesen, dass alle vier DNA-Basen zu gleichen Anteilen vorliegen müssten und der GC-Gehalt dementsprechend immer bei 50 Prozent liegen sollte. Eine solche Gleichverteilung wird jedoch in nahezu keinem Fall vorgefunden, stattdessen treten starke Variationen im GC-Gehalt auf.

Ein herkömmlicher Erklärungsansatz vermutet als Ursache der Variationen statische Prozesse, die den GC-Gehalt im Laufe der Jahrmillionen höher oder niedriger „treiben“. Die Untersuchungen der Evolutionsbiologen aus Konstanz und Sussex legen jedoch eine andere Erklärung als einen solchen „Mutationsdruck“ nahe: „Unterschiede im GC-Gehalt könnten auch durch bestimmte Selektionsvorteile erklärt werden – beispielsweise könnten Bakterien mit hohem GC-Gehalt möglicherweise besser in heißen Quellen überleben“, erörtert Axel Meyer. „Allein durch die bioinformative Möglichkeit, riesige Mengen an DNA-Sequenzen zu analysieren, konnten wir für über 170 Bakteriengenome berechnen, dass sie sich wirklich selektiv zu unterschiedlichen GC-Werten entwickelten.“, so Meyer weiter.

Die Forschungsergebnisse von Falk Hildebrand, Axel Meyer und Adam Eyre-Walker wurden im Wissenschaftsjournal PLoS Genetics veröffentlicht – gemeinsam mit den Ergebnissen von Professor Dr. Dimitri Petrov und Dr. Ruth Hershberg von der Stanford University, die unabhängig von den Konstanzer Forschern mit anderen Methoden zum selben Ergebnis kamen. Prof. Meyer erhielt für seine bisherige wissenschaftliche Arbeit bereits eine Reihe von Auszeichnungen, darunter den „Ernst Mayr-Award“ der Harvard University und den Akademiepreis der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften.

Glossar

  • Adenin (Abkürzung: A) ist ein Bestandteil (eine Base) der Nukleinsäuren und ein Purin-Abkömmling.
  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Cytosin (Abkürzung: C) ist ein Bestandteil (eine Base) der Nukleinsäuren und ein Pyrimidin-Abkömmling.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Guanin (Abkürzung: G) ist ein Bestandteil (eine Base) der Nukleinsäuren und ein Purin-Abkömmling.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
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