Beiträge aus der Wissenschaft

Der Vorteil von Redundanz in biologischen Systemen

22.03.2023 10:34

Der Vorteil von Redundanz in biologischen Systemen

Aus der Perspektive eines Ingenieurs betrachtet, ist Biologie oft chaotisch und unvollkommen. So ist Redundanz beispielsweise ein häufiges Merkmal biologischer Systeme, wobei sich die Aufgaben einer biologischen Komponente mit denen einer anderen überschneiden. Die Untersuchung, ob einige Arten biologischer Redundanz – trotz ihrer scheinbaren Ineffizienz – tatsächlich von Vorteil sein könnten, ist Inhalt der hier vorgestellten Arbeit.

Ein biologischer Prozess mit einem hohen Maß an Redundanz

Die Übersetzung ist ein energetisch aufwändiger Prozess, bei dem Zellen genetische Informationen in Proteine umwandeln. Der Entschlüsselungsprozess wird von Ribosomen und Transfer-RNAs (tRNAs) durchgeführt. Diese wichtigen biologischen Moleküle sind selbst in der genetischen Information der Zelle kodiert, oft durch mehrere, manchmal gar hunderte identischer Genkopien. Der häufig verwendete Labor-Bakterienstamm Escherichia coli K-12 MG1655 enthält beispielsweise sieben Kopien der ribosomalen RNA-Gene (rRNA) und bis zu sechs Kopien jedes tRNA-Gens. Diese offensichtliche Redundanz ist zunächst unerwartet: Warum sollte man die Kosten für die Erhaltung zahlreicher identischer Genkopien tragen? Eine Hypothese besagt, dass mehr Genkopien eine größere oder schnellere Produktion von Ribosomen und tRNAs ermöglichen, was unter günstigen Bedingungen zu schnellerem Wachstum und schnellerer Teilung führt. Um diese Hypothese zu testen, haben sich die Forschungsgruppen von Deepa Agashe am National Centre for Biological Sciences (Indien) und der Microbial Evolutionary Dynamics am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, unter Leitung von Jenna Gallie, zusammengetan.

Ausmaß der Translationsredundanz in E. coli kann im Labor manipuliert werden

Verschiedene redundante rRNA- und/oder tRNA-Genkopien wurden aus dem Genom von E. coli K-12 MG1655 entfernt. Das Ergebnis war eine Reihe abgeleiteter Stämme, die jeweils einen geringeren Grad an Translationsredundanz aufwiesen als der ursprüngliche Stamm. Mit biologischen Tests wurde nachgewiesen, dass die Gendeletionen entweder zu einer Verringerung der Expression reifer tRNA (über YAMAT-seq) und/oder zu einer Verlangsamung der Translation (über -Galactosidase-Reporter-Assays) führen. Diese Ergebnisse zeigen, dass zum einen die genetische Redundanz von E. coli Translationskomponenten verringert werden kann und sich zum anderen die genetischen Reduzierungen in der reifen Translationsmaschinerie niederschlagen.

Mehr Genkopien sind bei erhöhtem Translationsbedarf von Vorteil

Die Wachstumsprofile aller Stämme wurden in verschiedenen Umgebungen gemessen, in denen die Nährstoffverfügbarkeit von arm bis reich variierte. Im Allgemeinen wuchsen die Stämme mit geringerer Redundanz schneller als der ursprüngliche Stamm, wenn die Nährstoffe knapp waren, aber langsamer als der ursprüngliche Stamm, wenn die Nährstoffe frei verfügbar waren (siehe Abbildung). Diese Ergebnisse stimmen mit der ursprünglichen Hypothese überein: Genetische Redundanz ist mit Kosten verbunden, wenn die Translation langsam ist, und diese Kosten werden unter Bedingungen, die eine schnellere Translation und ein schnelleres Wachstum fördern, gemildert.

Diese Studie hat gezeigt, dass das Vorhandensein mehrerer rRNA/tRNA-Genkopien unter Bedingungen, die eine immer schnellere Translation und ein immer schnelleres Wachstum fördern, von Vorteil sein kann. Ganz allgemein zeigen die Ergebnisse, dass (scheinbare) Redundanz in komplexen biologischen Systemen von Vorteil sein kann, insbesondere unter sich verändernden Umweltbedingungen.