Transspezifische Evolution

Das berühmte Experiment wurde 1943 von Delbrück und Luria durchgeführt an E. coli-Bakterien durchgeführt.

Leider konnte man schon kurz nach der Entdeckung des ersten Antibiotikums (Penicillin durch Alexander Flemming; 1928) festestellen, dass Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika aufweisen und dieses Medikament dadurch ohne heilende Funktion bleibt.

Beobachtet man Bakterienzellen, so wurde festgestellt, dass in ca. 10 Millionen Zellen eine einzige die Fähigkeit besitzt den Angriff des Antibiotikums zu überleben. Diese Zelle vermehrt sich in der Anwesenheit des Medikaments stark.

E. coli Bakterien teilen sich optimalerweise alle 20 Minuten.

Fragen:

1. Entsteht die Antibiotikaresistenz einer Bakterienpopulation dadurch, dass die Population vor Einsatz des Antibiotikums bereits einige resistente Bakterien befanden?
2. Entsteht die Antibiotikaresistenz erst durch unmittelbaren Kontakt mit dem Antibiotikum selbst, indem diese die vererbbaren Eigenschaften einiger Bakterien der Population verändert?

Im Experiment von Luria und Delbrück von 1943 wurde die Resistenzausbildung von E. coli Bakterien gegenüber Streptomycin untersucht.

3. Beurteilen Sie den Versuchsaufbau und die erzielten Ergebnisse!

Versuchsansatz von Luria und Delbrück. Welche der Milliarden E. coli-Zellen zeigt Resistenz?

Lösungsansatz:

• Zu 1., 2. und 3.! Wissen die Bakterien was sie in Zukunft erwartet? Man sollte glauben NEIN! Aber Evolution ist keine Glaubensfrage (jedenfalls nicht für die große Mehrheit :-)).
• Also beschreibt man den Versuchsaufbau: Beide Kolben ermöglichen ein Heranwachsen der E. coli Bakterien ohne Kontakt zum Antibiotikum Streptomycin. Wobei im Kolben A alle Bakterien zusammen heranwachsen (24 h) dann in kleine Portionen abgefüllt werden um dann auf Nährböden mit dem Antibiotikum Streptomycin ausgestrichen zu werden. Kolben B wird sofort in kleine Portionen aufgeteilt, dort wachsen die Bakterien (ebenso Antibiotikafrei) für 24h um dann ebenfalls auf Streptomycin-Nährböden ausgestrichen zu werden.
• Die Tabelle gibt die Anzahl Kolonien an, die nach hinreichender Wachstumszeit gezählt werden können. Die 24 Platten “A” zeigen relativ identische Zahlen. Kolonien “streuen” zwischen 14 und 34 pro Platte, aber jede einzelne Platte zeigt Kolonien. Bei “B” sieht der Fall anders aus: hier sind bis auf 2 Platten alle leer, aber die bewachsenen Platten zeigen wesentlich mehr Kolonien (86; 92; 111).
• Bakterien teilen sich. Das Erbgut wird verdoppelt, theoretisch entstehen Klone des Bakteriums Nummer 1, mit dem der Kolben A, bzw. B angeimpft wurde. Bakterien haben ein Genom, das nur eine Kopie der jeweiligen Gene besitzt.
• Mutationen, also Veränderungen auf DNA-Ebene sind Zufallsereignisse. Passieren diese in einem großen Pott, sollten die Schwankungen (Kolonienanzahl), die man auf den Nährmedien sehen kann kleiner sein. Passieren die Mutationen in unterschiedlichen Behältnissen, erhält man auf den Nährmedien auch völlig unterschiedliche Ergebnisse. Kein Wachstum oder Resistenz (aber dann sehr viele Kolonien). Ausschlaggebend ist auch der Zeitpunkt der Mutation und ihre Auswirkung. Nur eine Mutation die unter “normalen Wachstumsbedingungen” (also ohne Antibiotikum) neutral wirkt, kann unter Antibiotikagabe positiv wirken…Eine negative Mutation, würde dazu führen, dass dieses Bakterium stirbt oder sich nicht mehr teilt. Je später die Mutation auftritt, desto weniger Kolonien werden erwartet. Platten “A” zeigen ein gleichmäßiges Bild, d.h. die Mutation ist zum Zeitpunkt X aufgetreten, dann keine weitere mehr. Platten “B” zeigen unterschiedliche Mutationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
• Darwin oder Lamarck? Darwin: zufällige Mutatationen, kein Kontakt zum Antibiotikum…..