Aus dem Erbgut von Bakterien im Zürichsee schliessen Forschende der Universität Zürich: Um neue Lebensräume zu erobern, verfolgen Mikroben zwei unterschiedliche Strategien. Einige erwerben wie erwartet neue Eigenschaften – aber anderen gelingt der Heimatwechsel, indem sie ihr Genom verkleinern und dabei Funktionen verlieren.

Bakterien sind winzig – und uralt: Sie gehören zu den ersten Lebensformen, die vor rund vier Milliarden Jahren auf unserem Planeten entstanden sind. Seither haben sie «die ganze Erde infiziert», sagt Adrian-Stefan Andrei, Forschungsgruppenleiter am Institut für Pflanzen- und Mikrobiologie der Universität Zürich (UZH). «Sie schwimmen in den Meeren, sind tief im Boden und in und auf anderen Lebewesen zu finden – und einige von ihnen schweben sogar weit oben in der Atmosphäre».

Spuren im Erbgut
Doch wie schaffen es die Bakterien, sich in neuen Lebensräumen anzusiedeln? «Die Frage bleibt weitgehend unbeantwortet, auch weil nur sehr wenige Mikroben fossile Spuren hinterlassen», sagt Andrei. Er und sein Team haben sich nun mit bioinformatischen Methoden an eine Antwort auf diese Frage genähert. «Wir haben die Spuren untersucht, die die Evolution im Genom von Lebewesen hinterlässt», sagt der Mikrobiologe.

Das Team um Andrei hat das Erbgut von Vertretern einer bestimmten Klasse von Bakterien namens Limnocylindria miteinander verglichen – und so festgestellt, dass diese Bakterien ursprünglich im Boden lebten. Wie die Forschenden in ihrem soeben veröffentlichten Fachbeitrag berichten, fristen auch heute noch viele Limnocylindria-Bakterien ihr Dasein im dunklen Erdreich unter unseren Füssen. Zwei Untergruppen sind allerdings auch in Süsswasserseen wie etwa dem Zürichsee zu finden.

Zusätzliche Gene für besondere Eigenschaften
Die Vertreter der einen Untergruppe (mit dem sperrigen Namen CSP1-4) haben im Vergleich zu ihren im Boden lebenden Verwandten ein grösseres Genom. So sind in ihrem Erbgut zum Beispiel auch Gene zu finden, die es ihnen erlauben, so genannte Flagellen herzustellen: Das sind feine Fäden auf der Oberfläche, die wie Propeller rotieren – und die Bakterien im Wasser vorantreiben können. Das Erbgut der Bakterien aus der Gruppe CSP1-4 erzähle eine wenig überraschende Geschichte, meint Andrei. Die zusätzlichen Gene verleihen den Mikroben besondere Eigenschaften, dank denen sie in ihrer neuen Umwelt bestehen können.

Vereinfacher haben ihre Karten schon verspielt
Unerwartet war jedoch, was bei der Erbgutanalyse der anderen Untergruppe (namens Limnocylindraceae) herausgekommen ist: Das Genom dieser Süsswasserbakterien ist nur noch halb so gross wie dasjenige ihrer Verwandten im Boden. Diese Gruppe – Andrei nennt sie die Vereinfacher – hat beim Heimatwechsel vom Boden zum Wasser eine gegenteilige Entwicklung durchlaufen: Anstatt neue Gene zu erwerben, haben sich diese Mikroben von einem bedeutenden Teil ihres Erbguts getrennt. «Sie haben sich ihres unnützen genetischen Gepäcks entledigt – und sind so leichter gereist», sagt Andrei.

Heute sind die Vereinfacher im Zürichsee reichlich vorhanden. «Sie brauchen wenig Ressourcen. Das ist das Geheimnis ihres aktuell sehr grossen ökologischen Erfolgs», sagt Andrei. Doch – im Gegensatz zur Gruppe CSP1-4 – sind sie nur noch im Süsswasser zu finden. Die Vereinfacher haben ihre Karten nun schon verspielt – und dürften es aufgrund ihres verringerten Genoms deshalb schwer haben, je wieder aus dem Süsswasser herauszufinden. Eine pauschale Antwort, ob es für Bakterien nun besser ist, ihr Genom zu vergrössern oder zu verkleinern, bevor sie eine neue Umgebung besiedeln, gebe es also nicht, meint Andrei.