Drei Kräfte erzeugen viele Naturstoffe. Forscher entschlüsseln, wie Bakterien ihre Waffen ständig neu erfinden.
Eine neue Studie beleuchtet erstmals das komplexe Zusammenspiel der evolutionären Kräfte, die einige der vielseitigsten Naturstoffe der Welt formen. Forschende am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie und der Philipps-Universität Marburg haben erstmals systematisch entschlüsselt, warum bestimmte Bakterien eine erstaunliche Vielfalt an Naturstoffen produzieren. Der Schlüssel liegt in einem komplexen Zusammenspiel aus natürlicher Selektion, Zufall und einem „genetischen Tunnelblick“.
Nichtribosomale Peptidsynthetasen sind bakterielle Enzymmaschinen, die wie molekulare Montagebänder funktionieren und Naturstoffe wie Antibiotika und Insektizide produzieren. Forschende am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie haben nun entschlüsselt, wie Evolution die erstaunliche Vielfalt dieser Verbindungen erzeugt: Das geschieht durch ein komplexes Zusammenspiel aus natürlicher Selektion, Zufall und einer genetischen Neigung zum Ähnlichen. Das Verständnis dieser Mechanismen kann helfen, verborgene bioaktive Varianten in Naturstofffamilien aufzuspüren – und damit möglicherweise neue Antibiotika zu entdecken, die bestehende Resistenzen überwinden.
Viele der wirksamsten Antibiotika stammen aus Bakterien. Ein Großteil gehört zu einer Klasse von Verbindungen, die als nichtribosomale Peptide (NRP) bezeichnet werden. Sie werden von großen bakteriellen Enzymmaschinen produziert – den nichtribosomalen Peptidsynthetasen (NRPS). Sie funktionieren wie molekulare Montagebänder: Ähnlich den Stationen in einer Autofabrik, wo an jeder Station dem Auto neue Teile hinzugefügt werden, bauen im Enzym mehrere spezialisierte Module Aminosäure für Aminosäure zu einem Peptid zusammen.
Das fertige Produkt wird in der Natur als Waffe im mikrobiellen Konkurrenzkampf eingesetzt – und von Menschen, chemisch optimiert, als Wirkstoff in Medikamenten. Das Ziel von Forschenden um Prof. Dr. Helge Bode am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie ist, auf genetischer Ebene in die NRPS-Maschinerie einzugreifen, um ganz neue Wirkstoffe zu schaffen. Wie normale Proteine unterliegen auch NRP der Evolution, doch die Art und Weise, wie sie sich verändern, ist ungewöhnlich.
Während gewöhnliche Proteine sich hauptsächlich durch zufällige Mutationen einzelner DNA-Bausteine weiterentwickeln, tauschen NRPS ganze Gensegmente untereinander aus. Dieser Prozess wird als „Rekombination“ bezeichnet. Das Resultat sind neue Kombinationen von Modulen, und damit neue Peptide mit veränderten chemischen Eigenschaften.
Wie genau diese Vielfalt entsteht und welche Kräfte sie antreiben, war bislang kaum verstanden. Nicht zuletzt war das der Fall, weil die häufige Rekombination klassische Methoden der Evolutionsforschung an ihre Grenzen bringt. Standardtests, die normalerweise Selektion von zufälliger Evolution unterscheiden, funktionieren hier nicht, weil sie auf Veränderungen einzelner DNA-Positionen ausgelegt sind anstelle des Austauschs ganzer DNA-Abschnitte.
Forschende um Prof. Dr. Helge Bode und Prof. Dr. Georg Hochberg vom MPI und der Philipps-Universität Marburg haben dieses Problem nun durch einen geschickten Ansatz gelöst. Sie konzentrierten sich auf das „GameXPeptid“ (GXP). Das ist ein Insektizid, das von den Bakterien Xenorhabdus und Photorhabdus produziert wird.
Diese Bakterien leben in einem komplexen Dreiecksverbund. Sie leben im Darm von Fadenwürmern, die wiederum Insektenlarven befallen. Ist der Wirt einmal infiziert, werden die Bakterien vom Fadenwurm freigesetzt und töten das Insekt – unter anderem mit Hilfe von GameXPeptiden. Das System aus Räuber, Wirt und Parasit erzeugt evolutionären Druck: Die Insekten entwickeln Resistenzen, die Bakterien müssen ihre Gifte anpassen.
Die zuständige Enzymmaschine, die GxpS-Synthetase, besteht aus fünf Modulen. Damit war sie handhabbar genug, um ihre Evolutionsgeschichte rekonstruieren zu können. Durch die Stammbaum-Rekonstruktionen entdeckten die Forschenden eine überraschend große Vielfalt bislang unbekannter GXP-Varianten. Insgesamt konnten sie 49 verschiedene Verbindungen nachweisen. Darunter waren verkürzte zyklische Tetrapeptide und ein erweitertes Hexapeptid.
Besonders auffällig waren Muster konvergenter Evolution: Mehrere Bakterienlinien, die sich unabhängig voneinander entwickelt hatten, bildeten auf getrennten Wegen identische oder sehr ähnliche Peptidstrukturen. Um zu verstehen, in welcher Reihenfolge die verschiedenen GameXPeptid-Varianten entstanden, rekonstruierte die Forschungsgruppe den gemeinsamen Vorfahren der zuständigen GxpS-Synthetase.
Dafür musste sie rund 15.000 Basenpaare genetischen Materials wiederherstellen, zu einem funktionsfähigen Gen zusammensetzen und schließlich in Escherichia coli zum Leben erwecken. So konnte sie bestimmen, wie der Urvorfahr von GxpS aussah – und in welcher Reihenfolge die heutigen Varianten aus ihm hervorgingen. „Es war wie fünfdimensionales Schach“, beschrieb Hochberg die methodische Herausforderung. „Die häufige Rekombination verwischt die Evolutionsgeschichte dieser Enzyme – jedes Rekombinationsereignis überschreibt ein Stück ihrer Vergangenheit. Aber genau diese Komplexität macht das System so faszinierend.“
Die detaillierte Teamarbeit lohnte sich: die Analyse ergab, dass nicht nur natürliche Selektion die Vielfalt der GameXPeptide erklärt. Dabei wirken mindestens drei Kräfte – natürliche Selektion, genetische Drift und ein „Rekombinations-Bias“ – zusammen.
Um natürliche Selektion von zufälliger Evolution zu unterscheiden, nutzten die Forschenden einen statistischen Vergleich. Sie identifizierten Rekombinationen, die das Peptid strukturell nicht verändern – weil beispielsweise zwei Module mit derselben Spezifität gegeneinander ausgetauscht werden. Diese sogenannten „homotypischen Rekombinationen“ dienten als Maßstab für das, was unter neutraler Evolution zu erwarten wäre.
Heterotypische Rekombinationen – solche, die die Aminosäuresequenz tatsächlich verändern – trafen dagegen signifikant häufiger genau jene Bereiche des Enzyms, die für die Substratspezifität entscheidend sind. Das war ein deutliches Zeichen für positive Selektion. Experimente mit vier verschiedenen Insektenarten bestätigten: Verschiedene GXP-Varianten töten unterschiedliche Insekten unterschiedlich effizient.
Gleichzeitig fanden die Forschenden Hinweise auf genetische Drift. Das sind Veränderungen ohne erkennbaren Selektionsvorteil. Das deutet darauf hin, dass ein erheblicher Teil der GXP-Vielfalt durch zufällige Fixierung neutraler Varianten entstanden ist.
Begünstigt wird dieser Effekt durch den Lebenszyklus der Bakterien: Jeder Fadenwurm wird anfangs nur von wenigen Bakterienzellen besiedelt. Diese Engpässe begrenzen die Populationsgröße und stärken den Einfluss des Zufalls auf die Evolution.
Die Forschenden entdeckten jedoch auch, dass nicht jede Rekombination gleich wahrscheinlich ist. Tatsächlich finden Rekombinationen bevorzugt zwischen Modulen statt, die sich auf Sequenzebene ähnlich sind. Da sich ähnliche Module vor allem innerhalb desselben Genclusters befinden, werden, obwohl die NRPS theoretisch auf ein Repertoire von bis zu 300 verschiedenen Aminosäure-Varianten zugreifen könnten, tatsächlich vor allem jene Aminosäuren in neue Peptide eingebaut, die bereits im Cluster vertreten sind.
Dieser Bias ist selbstverstärkend und führt zu einem evolutionären „Tunnelblick“: jede Rekombination innerhalb des Clusters macht die beteiligten Module einander noch ähnlicher und künftige Rekombinationen zwischen denselben Partnern noch wahrscheinlicher. Dieser Mechanismus kann erklären, warum so oft dieselben Varianten konvergent evolvieren – nicht, weil sie besonders gut sind, sondern weil sie besonders leicht entstehen.
„Ich war völlig überrascht, wie viele Varianten der GameXPeptide überhaupt existieren“, sagte Erstautor Sebastian Kaiser. „Und ich denke, wir stehen erst am Anfang des Verstehens, wie natürliche Produkte evolvieren. Es gibt noch so viel mehr zu entdecken.“
Tatsächlich reicht die Bedeutung dieser Arbeit über die Grundlagenforschung hinaus. Viele bekannte Antibiotika sind ebenfalls nichtribosomale Peptide. Wenn sich auch in deren Evolutionsgeschichte zahlreiche, bislang unentdeckte Rekombinationsereignisse verbergen, könnten dort neue bioaktive Varianten schlummern, die Resistenzen überwinden oder neue Wirkmechanismen besitzen. Die Methoden, die in dieser Studie entwickelt wurden, bieten erstmals einen systematischen Weg, um diese verborgene Diversität aufzuspüren.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das konzeptionelle Rahmenwerk, das wir für die GameXPeptide entwickelt haben, als Leitfaden dienen kann, um die Evolutionskräfte auch in anderen Naturstofffamilien zu entschlüsseln, wie den Polyketidsynthasen, die wie auch NRPS viele klinisch relevante Naturstoffe produzieren“, hofft Bode. „Wenn wir die Mechanismen der bakteriellen Naturstoff-Vielfalt besser verstehen, kann es gelingen, neue Antibiotika zu entdecken, die bestehende Resistenzen überwinden.“
* pm: Philipps-Universität Marburg