Manche Bakterien können für ihr Überleben nützliche Gene schnell vervielfältigen, insbesondere unter dem Einfluss eines Antibiotikums. Eine Studie beschreibt einen bislang unterschätzten Mechanismus der Genamplifikation, der eine schnelle und reversible Anpassung begünstigen kann.
Genamplifikation bedeutet die Erzeugung mehrerer Kopien derselben DNA-Region. Je häufiger ein Gen kopiert wird, desto mehr von dem zugehörigen Protein kann die Zelle produzieren. Dieser Gewinn ist manchmal nur vorübergehend, kann aber in einer feindlichen Umgebung einen unmittelbaren Vorteil verschaffen.
Bakterium E. coli
Foto von Eric Erbe, digitale Kolorierung von Christopher Pooley
Die Forscher haben ein Computerwerkzeug namens AmpliFinder entwickelt. Es erkennt in kurzen Sequenzierungsdaten die Verknüpfungsstellen, die zurückbleiben, wenn kleine mobile DNA-Fragmente Regionen des bakteriellen Chromosoms verschieben oder kopieren.
Das Team analysierte 10.347 Isolate aus Laborevolutionsversuchen. Die Sammlung umfasste 9.696 Proben von Escherichia coli und 651 von Acinetobacter baumannii. Die Forscher identifizierten 113 neue Amplifikationen, die mit diesen mobilen Elementen verbunden sind.
Die Mehrheit folgte nicht dem erwarteten klassischen Muster. Bei E. coli waren 81 von 106 Amplifikationen nicht-kanonisch, gegenüber 25 klassischen Formen. Diese atypischen Strukturen waren oft kürzer und in mehr Kopien vorhanden, was den Vorteil auf wenige bestimmte Gene konzentrieren kann.
In Experimenten mit Antibiotika enthielten diese nicht-kanonischen Amplifikationen häufiger Resistenzgene, als es der Zufall erwarten ließe: eine Anreicherung, die das 3,4-Fache des erwarteten Werts erreichte.
Ein Experiment mit Chloramphenicol ermöglichte es, diesen Prozess direkt zu verfolgen. Eine Region, die das Resistenzgen mdfA enthält, ging während der Anpassung von einer Kopie auf mehr als 13 Kopien über. Diese Zunahme konnte anschließend wieder abnehmen, wenn sich der Selektionsdruck änderte.
AmpliFinder wird es künftig ermöglichen, diese Strukturen in anderen genomischen Sammlungen zu suchen, insbesondere in klinischen und Umweltisolaten. Die Forscher können dann ihre tatsächliche Häufigkeit messen und bestimmen, inwieweit sie zu Resistenzen außerhalb des Labors beitragen.