Ein Team von Wissenschaftlern der University of Nebraska-Lincoln und der University of California, Santa Cruz, hat Beweise dafür gefunden, dass ein evolutionäres Phänomen bei der Arbeit in komplexen Organismen in Archäen im Spiel ist, einer Gruppe von einzelligen Mikroorganismen, die für ihre Liebe zum Leben in extremen Umgebungen bekannt sind.

Arten entwickeln sich am häufigsten durch Mutationen in der DNA, die von nachfolgenden Generationen vererbt werden.

Vor einigen Jahrzehnten begannen die Forscher zu entdecken, dass sich multizelluläre Arten auch durch Epigenetik entwickeln können: Merkmale, die nicht aus genetischen Veränderungen, sondern aus der Vererbung von zellulären Proteinen stammen, die den Zugang zur DNA eines Organismus steuern.

Da diese Proteine auf Veränderungen in der Umwelt eines Organismus reagieren können, liegt die Epigenetik an der immer dünneren Grenze zwischen Natur und Ernährung.

Beweise dafür gab es nur in Eukaryonten, der multizellulären Domäne des Lebens, die Tiere, Pflanzen und mehrere andere Königreiche umfasst.

Aber die neuen Experimente haben gezeigt, dass die Epigenetik bei einer Archäenart, dem Sulfolobus solfataricus, extreme Säurebeständigkeit aufweisen kann.

“Die Überraschung ist, dass es sich um diese relativ primitiven Organismen handelt, von denen wir wissen, dass sie uralt sind”, sagte der Senior-Autor Professor Paul Blum von der University of Nebraska-Lincoln und der University of California, Santa Cruz.

“Wir haben darüber nachgedacht, dass dies etwas (evolutionäres) Neues ist. Aber Epigenetik ist kein Neuling auf dem Planeten.”

Sulfolobus solfataricus ist eine schwefelfressende Art, die in den kochenden, essigsäurehaltigen Quellen (die Art wächst optimal bei pH 3,0 und 80 Grad Celsius) des Yellowstone Nationalparks gedeiht.

Indem das Team Sulfolobus solfataricus über mehrere Jahre hinweg einem zunehmenden Säuregehalt aussetzte, entwickelte es drei Sorten, die einen 178-fach höheren Widerstand aufwiesen als ihre Yellowstone-Ahnen.

Einer dieser Stämme entwickelte den Widerstand trotz keiner Mutationen in seiner DNA, während die beiden anderen Stämme Mutationen in sich gegenseitig ausschließenden Genen durchliefen, die nicht zum Säurewiderstand beitragen.

Und als die Wissenschaftler die Proteine störten, die die Expression resistenter Gene kontrollieren sollten – die DNA selbst blieb unberührt -, verschwand dieser Widerstand in den folgenden Generationen abrupt.

“Wir sagten voraus, dass sie mutiert sein würden, und wir würden den Mutationen folgen, und das würde uns lehren, was die extreme Säurebeständigkeit verursacht hat. Aber das ist nicht das, was wir gefunden haben”, sagte Professor Blum.

Obwohl die Epigenetik für einige der produktivsten und zerstörerischsten physiologischen Prozesse beim Menschen unerlässlich ist – die Differenzierung der Zellen in etwa 200 Typen, das Auftreten von Krebs -, bleibt es schwierig, an Eukaryonten zu studieren.

“Die Einfachheit der Archäen, kombiniert mit der Tatsache, dass ihre Zellen in einigen wichtigen Aspekten den Eukaryoten ähneln, sollte es uns ermöglichen, epigenetische Fragen viel schneller und kostengünstiger als bisher zu untersuchen”, sagte Professor Blum.

“Wir wissen nicht, was den Schalter beim Menschen umlegt, der epigenetische Eigenschaften verändert.”

“Und wir wissen nicht, wie wir es sehr oft rückgängig machen können. Das ist das erste, worauf wir uns konzentrieren werden: wie man es einschaltet, wie man es ausschaltet, wie man es zum Schalten bringt. Und das hat Vorteile, wenn man an (Management-)Eigenschaften in uns oder Eigenschaften in Pflanzen denkt.”

“Aber die Entdeckung wirft auch Fragen auf, vor allem darüber, wie sowohl Eukaryonten als auch Archäen dazu kamen, die Epigenetik als Vererbungsmethode zu übernehmen”, sagte die Erstautorin Sophie Payne, eine Doktorandin an der Universität Nebraska-Lincoln.

“Vielleicht hatten sie es beide, weil sie sich von einem gemeinsamen Vorfahren, der es hatte, unterschieden. Oder vielleicht hat es sich zweimal entwickelt. Es ist ein wirklich interessantes Konzept aus evolutionärer Sicht.”

“Wir sind neugierig, ob und wie Epigenetik erklären könnte, warum keine bekannte Archäe Krankheiten verursacht oder antibiotisch bewaffnete Kriegsführung gegen ihre Brüder führt, wie es Bakterien tun”, sagte Professor Blum.

“Es gibt keine Antibiotika auf dieser Welt. Warum ist das so? Wir denken, dass es etwas mit Epigenetik zu tun hat, und so sind ihre Wechselwirkungen untereinander grundlegend anders als bei Bakterien.”

“Die Entdeckung wirft auch eine noch breitere Frage auf. Was war der Nutzen für sie, wenn sie das haben? Wir wissen es nicht.”

Die Ergebnisse erscheinen in den Proceedings of the National Academy of Sciences.