Symbiosen mit Bakterien sind ja nichts Ungewöhnliches: Ohne unsere Darmbakterien hätten wir einige Verdauungsprobleme, Tiere wie Kühe könnten ohne Bakterien keine Zellulose verarbeiten, und die Mitochondrien in unseren Zellen (die für die Energieproduktion zuständig sind) stammen vermutlich auch von Bakterien ab. Eine besonders komplexe Symbiose gibt es allerdings bei der Zitrusschmierlaus (Planococcus citri): Sie lebt in Symbiose mit zwei ineinander verschachtelten Bakterien.

Eine Zitrusschmierlaus ist ein ziemlich unscheinbares Insekt, das sich von Pflanzensäften ernährt und nur wenige Millimeter groß wird. Wikipedia hat ein Bild (bei dem nicht klar ist, ob es sich um genau diese oder eine nahe verwandte Art handelt, aber wir wollen mal nicht pingelig sein, diese kleinen Krabbelviecher sehen doch eh alle gleich aus…):

Wolllaus.jpg
By Christian Fischer, CC BY-SA 3.0, Link

P. citri (das tippt sich schneller als Zitrusschmierlaus) lebt in Symbiose mit einem Bakterium mit dem Namen “Candidatus Tremblaya priceps”. (Bei Wikipedia habe ich gelernt, dass Bakterien den “Ehrentitel” Candidatus bekommen, wenn man sie nicht in einer Kultur züchten kann – das Züchten ist aber eigentlich Voraussetzung, damit ein Bakterium einen Namen bekommen kann.) Die meisten Läuse, die sich von Pflanzensaft ernähren, haben irgendeine Symbiose mit Bakterien, vor allem, weil es für sie schwierig ist, an hinreichend viele essentielle Aminosäuren heranzukommen.

Zur Erinnerung: Aminosäuren sind die Grundbausteine der Proteine. Man unterscheidet zwischen essentiellen Aminosäuren, die man mit der Nahrung aufnehmen muss, und nicht-essentiellen, die der Körper selbst herstellen kann. Wenn ein Tier mit der Nahrung nicht genügend essentielle Aminosäuren bekommt, dann kann es sich die von geeigneten Bakterien holen, mit denen es in Symbiose lebt und für die diese Aminosäuren eben nicht essentiell sind. Essentielle Aminosäuren werden ihrerseits durch Proteine hergestellt, die als Enzyme (also Reaktionsbeschleuniger) dienen. Typischerweise geschieht dies in mehreren Reaktionsschritten, für die verschiedene Proteine benötigt werden.

T. princeps, der Symbiont von P. citri, ist allerdings ein besonderes Bakterium: Es hat ein extrem kleines Genom mit nur knapp 140000 Basenpaaren in der DNA, die schlappe 121 Proteine codieren. Unter diesen Proteinen sind einige, die zu den typischen Rekationspfaden gehören, mit denen Bakterien essentielle Aminosäuren bauen. Allerdings hat T. princeps ein kleines Problem: für den Zusammenbau essentieller Aminosäuren fehlen in jedem der Reaktionspfade ein paar Proteine. (Das bekommt man durch Genanalyse heraus: Man schaut sich die DNA an und liest mit Hilfe des berühmten genetischen Codes ab, welche Proteine das Bakterium zusammenbauen kann.)

Somit kann T. princeps die notwendigen essentiellen Aminosäuren nicht zusammenbauen, was natürlich ein Problem ist. Die Lösung ist ein weiterer Symbiont: Im Inneren von T. princeps lebt ein kleineres Bakterium namens Candidatus Moranella endobia als Symbiont. M. endobia ist zwar kleiner als T. princeps, hat aber ein fast viermal größeres Genom. So sieht diese verschachtelte Symbiose (Bakterium im Bakterium im Insekt) aus:

i-48bf10c74d37052097d110bff5db4be9-mealybug-symbiosis1-thumb-433x466.png

Das Graue ist das Gewebe der Laus P. citri, das Blaue sind die großen Bakterien T. princeps mit den kleineren M. endobia in modischem Rot. Grün ist der Zellkern von P. citri.

Bekommt nun also T. princeps seine essentiellen Aminosäuren von M. endobia? Nein, ganz so einfach ist es nicht, denn auch M. endobia kann die wichtigen essentiellen Aminosäuren leider nicht zusammenbauen. Auch ihm fehlen ein paar der notwendigen Proteine, um die Reaktion ablaufen zulassen.

Zusammen allerdings sieht die Sache anders aus: Die beiden können einige der essentiellen Aminosäuren herstellen, wenn jeder einen Teil seiner passenden Proteine beisteuert. Dieses Bild zeigt, wie das in etwa funktioniert:

i-74f83750d9cb49238352e04374367b6c-verschachtelteSymbionten1-thumb-500x500.jpg

Im Diagramm steht jedes Kürzel für ein Protein, der Reaktionspfad führt von einem zum nächsten, bis am Ende eine Aminosäure (zum Beispiel Tryptophan) steht.

Der Reaktionspfad zum Tryptophan braucht eine ganze Menge Schritte, für die die Proteine AroG bis AroC und TrpE bis TrpB zuständig sind. Die Synthese fängt mit Proteinen von T. princeps an, dann steuert M. endobia ein paar bei (die Lila markierten Proteine können jeweils beide Bakterien herstellen), dann ist wieder T. princeps dran, dann wieder M. endobia, noch einmal T. princeps und am Ende M. endobia. Ziemlich kompliziert, das Ganze.

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Kommentare (24)

  1. #1 cydonia
    25. August 2011

    Sehr schön, und sehr gerne gelesen, zudem mir noch nicht bekannt.
    Da hat sich Gott ja wieder was ganz Besonderes einfallen lassen…..
    Das Vieh, das ich heute an meinem Kaktus entdeckt habe, sieht fast genauso aus. Ob es allerdings auch Symbionten hat oder benötigt müsste ich recherchieren.
    Faszinierend!

  2. #2 AndreasM
    25. August 2011

    Es kann zwischen den beiden kein evolutionäres “Wettrennen” geben, da sie ja immer gemeinsam selektiert werden.
    In so einer Gemeinschaft gibt es aber keine Selektion gegen Mutationen in den Proteinen, die sie beide besitzen (solange der Austausch der Stoffe oder Proteine gut funktioniert). Somit degradiert das System dahin, dass jede Funktion nur einmal vorhanden ist, ohne dass damit unbedingt ein Effizienzgewinn einhergeht.

  3. #3 MartinB
    26. August 2011

    @AndreasM
    “Wettrennen” war ja nicht so gemeint, dass sie gegeneinander antreten (das tun Löwe und Gnu auch nicht…), sondern so, dass jeder einen Vorteil hat, wenn der andere möglichst viele Funktionen übernimmt. Und soweit ich weiß, ist es schon ein Effizienzgewinn, wenn die DNA verkleinert werden kann.

  4. #4 rolak
    26. August 2011

    <

    Nun, der Wettkampf findet imho schon statt, nur halt nicht innerhalb des Teams (auch wenn mir das z.B. bei Seitenstechen gar nicht mehr so vorkommt). Eigenerhalt und Reproduktion sind wesentliche Kostenfaktoren – und jede Ersparnis ist ein Vorteil in punkto Effizienz.
    Da es offensichtlich funktioniert, spielt der Aspekt der gegenseitigen Abhängigkeit wohl nur eine utergeordnete Rolle.

    Ich weiß nicht, cydonia, diese Viecher sehen sich alle sehr ähnlich, sogar über Größenordnungen hinweg. Außerdem würde ich in beiden Fällen nicht einmal dazu eine Aussage machen, ob die Ober- oder die Unterseite zu sehen ist. Falls diese Unterscheidung überhaupt machbar ist.

    Aber ganz am Rande: Wer außer mir hat noch im ersten Moment die endobias für Salami-Scheiben gehalten? 😉

  5. #5 Physiker
    26. August 2011

    Schade, dass dieser interessante Beitrag mir nicht dabei hilft mein Zitrusbäumchen von diesem Ungeziefer zu befreien…

  6. #6 AndreasM
    26. August 2011

    @MartinB: Der Vorteil des Einzelnen zählt durch die gemeinsame Selektion ja nicht, sondern nur die Vorteile des Kollektivs.
    Eine Verkleinerung der DNA stellt einen kleinen Effizienzgewinn dar, aber mit der Mutation des Teils der DNA, der das Protein kodiert, ist die DNA noch lange nicht verkleinert. Üblicherweise gibt es Unmengen an Junk-DNA neben der DNA, die tatsächlich Proteine kodiert und trotzdem reicht der Evolutionsdruck nicht aus, diese wegzuoptimieren.

    @rolak: Solange sich der Endosymbiont nur zusammen mit dem Wirt teilt, spielt Aspekt der gegenseitigen Abhängigkeit keine Rolle mehr, da gegen diesen ja nicht mehr selektiert wird. Es ist dann mehr oder weniger ein Lebewesen.

    Durch die zufälligen Mutationen gibt es immer die Tendenz hin zu höherer Entropie, da die Wahrscheinlichkeit viel grösser ist, mit der Mutation etwas funktionierendes zu zerstören, als etwas funktionierendes zu erschaffen. Nur durch Selektionsdruck bleiben die wichtigen Funktionen erhalten. Bei doppelt ausgeführten Systemen, die nicht unbedingt in doppelter Ausführung gebraucht werden, wird mit der Zeit immer eines der Systeme durch zufällige Mutation seine Funktion verlieren. Es braucht nicht unbedingt effizienter sein, nur die einfache Ausführung zu haben, aber umgekehrt braucht es einen signifikanten Vorteil, um die doppelte Ausführung zu erhalten.

  7. #7 MartinB
    26. August 2011

    @AndreasM
    “Der Vorteil des Einzelnen zählt durch die gemeinsame Selektion ja nicht, sondern nur die Vorteile des Kollektivs.”
    Das sehe ich nicht ganz so – in einer Firma zählt auch nur der Kollektiverfolg, trotzdem mag ein einzelner Mitarbeiter versuchen, Arbeit auf Kollegen abzuwälzen; das klappt, solangenicht notwendige Arbeit von keinem gemacht wird. Wenn also T. princeps einen Vorteil hat (sich z.B. schneller vermehren kann), wenn es weniger Proteine synthetisieren kann und wenn dieser Vorteil nicht durch eine zu langsame Reproduktion von M. endobia aufgewogen wird, dann könnte ein solcher Selektionsdruck doch wirksam werden, oder nicht?

    Das mit der “Junk-DNA” ist ganz interessant, hier ein Ausschnitt aus dem paper:

    Bacterial genomes are in general compact and gene dense,
    with typical coding densities of 80%–90% [42]. Reduced
    bacterial genomes tend to be, but are not always, more gene
    dense than average (Table 1). Excluding Tremblaya, the four
    smallest bacterial genomes have coding densities in the range
    of 93%–97%, and so it is surprising that Tremblaya has a
    coding density of only 73%, making it the smallest but also
    one of the least gene-dense bacterial genomes published
    One possible explanation is that the Tremblaya genome was gene dense prior to theacquisition of Moranella, and that establishment of the symbiosis relaxed the selective constraints on Tremblaya genes that were redundant with the more gene-rich Moranella genome

    Der letzte Teil passt also besser zu deiner Erklärung als zu meiner “Drückeberger-Hypothese”.

  8. #8 AndreasM
    26. August 2011

    @MartinB:
    “Wenn also T. princeps einen Vorteil hat (sich z.B. schneller vermehren kann), wenn es weniger Proteine synthetisieren kann und wenn dieser Vorteil nicht durch eine zu langsame Reproduktion von M. endobia aufgewogen wird, dann könnte ein solcher Selektionsdruck doch wirksam werden, oder nicht?”
    Ja, das würde ich aber nicht als “Drückeberger” oder den Versuch, Arbeit abzuwälzen, sehen, denn es kommt auf die Effizienz des Gesamtsystems an. Es ist also mehr eine Spezialisierung.
    Nichtsdestotrotz ist dieser Effekt schwach verglichen mit dem Drift hin zu den wahrscheinlicheren Zuständen von nur einem funktionalen Protein. Insbesondere die Zeiträume, in denen die Selektion wirkt, sind viel länger als die des reinen Mutationsdrifts.
    Dazu passt dieser Wikipedia-Artikel:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_redundancy

  9. #9 Spinnzessin
    26. August 2011

    Also eigentlich sind Männer und Frauen ja auch nur zwei Symbionten die zwecks gemeinsamer Babysynthese zusammenarbeiten. :o)

  10. #10 MartinB
    26. August 2011

    @AndreasM
    “Es ist also mehr eine Spezialisierung.”
    Ja, da hast du wahrscheinlich recht – mir gefällt zwar die Vorstellung, dass jeder “versucht”, möglichst viel Synthesearbeit auf den anderen abzuwälzen, aber wahrscheinlich ist das ein schiefes Bild.
    Wenn man mehr über das System wüsste (vor allem, wie die Substanzen ausgetauscht werden), dann wäre es vermutlich ein guter Beleg für die Evolution, denn statt des vielen Hin und Her wäre es ja viel effizienter, wenn erst der eine, dann der andere die Prozesskette übernimmt.

    @Spinnzessin
    Na klar – und Babies sind ja auch nur deswegen süß, damit man sie nicht genervt vom Gebrüll im nächsten Wald liegen lässt (sind quasi Hirnparasiten, die uns manipulieren, sie zu füttern) 🙂

  11. #11 Geoman
    26. August 2011

    “@MartinB

    Jedes Mal, wenn Sie über ein ungewöhnlich komplexes Lebewesen berichten oder eine außergewöhnliche biologische Struktur beschreiben, behaupten sie anschließend, dass das Ganze natürlich (irgendwie) per Mutation/Selektion entstanden ist. Woher wissen Sie das oder in welcher biologischen Bibel steht das?

  12. #12 MartinB
    26. August 2011

    @geoman
    Seufz…

    Tja, mal überlegen, ich erklär’s mal mit ner Analogie.

    Ich weiß, wie Fabriken funktionieren, die Autos herstellen. Ich weiß, wie Autos von Autohändlern verkauft und von Menschen gekauft werden. Trotz aller Beobachtung hat noch nie jemand entdeckt, dass ein Auto anders als in einer Autowerkstatt oder Fabrik hergestellt wurde. Jetzt sehe ich ein besonders ungewöhnliches Auto (meinetwegen ein Amphibienfahrzeug oder sowas) und erzähle davon, und Sie fragen mich, wie ich darauf komme, dass auch dieses Auto von Menschen in einer Fabrik hergestellt wurde und in welcher Bibel das steht.

    In diesem speziellen Fall wird die evolution der Bakteriensymbiose von den Forschern gerade aktiv untersucht, die DNA wird analysiert etc. Wie in der Biologie üblich unter der Annahme der Evolutionstheorie – sollten sich dabei Widersprüche ergeben, können wir die Theorie ja modifizieren.

    PS: Ihre ständigen Einwürfe werden übrigens langsam langweilig, weil sie so substanzlos sind…

  13. #13 Dr. Webbaer
    26. August 2011

    Jedes Mal, wenn Sie über ein ungewöhnlich komplexes Lebewesen berichten oder eine außergewöhnliche biologische Struktur beschreiben, behaupten sie anschließend, dass das Ganze natürlich (irgendwie) per Mutation/Selektion entstanden ist. Woher wissen Sie das oder in welcher biologischen Bibel steht das?

    Das ist wohl eine sinnvolle Annahme, die als Standard-Erklärung nahe liegt. – Die ständige Wiederholung dieser Hypothese ist natürlich bemerkenswert, gerade auch dann wenn sie auf Nachfrage unpassende Analogien evoziert; es macht aus Sicht des Webbaeren mehr Sinn dieser Hypothese agnostisch-freundlich gegenüberzustehen, korrekt. – BTW, was macht die Chronologiekritik, wie sind hierzu die aktuellen Kenntnisstände?

    MFG
    Dr. Webbaer

  14. #14 Geoman
    26. August 2011

    @ MartinB

    Langweilig ist (obwohl ich Sie im Vergleich zu meisten ode auch fast allen Scienceblogs-Autoren ausgesprochen origenell sind), dass Sie immer auf die Löwen und die Gnu’s rekurrieren, die zwar nach Ihrer durchaus begründeten Auffassung nicht in Konkurrenz aber immerhin im evolutiven Wettbewerb stehen. Das würde natürlich einiges erklären, z. B., dass nur die Schwächsten und Unvorsichtigsten Gnu’s etc. ausselektiert werden… aber was ist, wenn ein Parasit im Spiel ist und die gut sichtbaren Protagonisten nur als Zwischenwirt benutzt werden?

  15. #15 MartinB
    27. August 2011

    @geoman
    Tja, ich kann ja nicht die Evolutionstheorie jede Woche ändern, damit Ihnen nicht langweilig wird…

    “aber was ist, wenn ein Parasit im Spiel ist und die gut sichtbaren Protagonisten nur als Zwischenwirt benutzt werden?”
    Was soll dann sein?

  16. #16 Dr. Webbaer
    27. August 2011

    Zum Wesen der Evolutionstheorie ist dieser Text vielleicht bemerkenswert:
    http://www.scienceblogs.de/wissenschaftsfeuilleton/2011/07/wieder-am-anfang.php

    Wird ja doch oft ein wenig missverstanden die gute ET, also bspw. was den ‘Survival of the fittest’ betrifft oder die Herleitung dieser oder jener Merkmalsausprägung, wenn das Wörtchen Weil, also die Kausalität, zum Einsatz kommt.

    @Geoman: Wie ist eigentlich Ihre Position zurzeit zur ET?

    MFG
    Dr. Webbaer

  17. #17 cydonia
    27. August 2011

    @rolak
    Hm, also für mich sehen sie nicht gleich aus. Bei der an meinem Kaktus aufgetretenen Art handelt es sich um Psedococcus adonidum, und aufgrund der ähnlichen Lebensweise habe ich mich ernsthaft gefragt, ob es diese spezielle Art der Symbiose nicht auch bei Pseudococcus geben könnte. War also eine ernstgemeinte Überlegung.
    Und eine kurze Bemerkung zu Geoman und den WebbÄrschen Ergüssen: Ihr habt beide keine Ahnung, und das ist deutlich sichtbar. Das wäre nicht ganz so schlimm, denn viele Menschen sind durchaus dazu in der Lage sich echte Informationen zu holen, und anschließend dazuzulernen. Aufgrund des penetranten, hartnäckigen und störenden Auftretens eurerseits, das zudem von keiner Erkenntnis getrübt ist, würde ich es begrüßen, wenn ihr euch gemeinsam auf Nimmerwiedersehen zurückziehen würdet.
    Von Zeit zu Zeit solltet ihr diese Rückmeldung bekommen, denke ich, sonst könntet ihr euch der Illusion hingeben, eure mit Unverschämtheit gepaarte Inkompetenz würde nicht bemerkt.

  18. #18 Dr. Webbaer
    27. August 2011

    @cydonia
    Onkel Webbaer geht es halt um das korrekte Wissenschaftsverständnis, also was gerade auch die Erkenntnis betrifft; so gefittet lässt sich dann die zivilisatorische Errungenschaft “Moderne Wissenschaftlichkeit” korrekt und als wertvoll einordnen. – “Erst so gefittet.”

    Der geschätzte Kommentatorenkollege Geoman wird zudem gerne am Rande auf seine Sichten bezüglich der Chronologiekritik und des Kreationismus abgeklopft. Auch das wüsste eigentlich gehen…

    Schade eigentlich, dass Sie selbst so nicht erreichbar scheinen.

    MFG
    Dr. Webbaer

  19. #19 MartinB
    27. August 2011

    @cydonia
    Bitte keine Diskussion mit dem Webbären, das ermuntert ihn nur. Kann man einfach klientseitig filtern, das empfehle ich in diesem Fall. Kritik wird eh nicht wahrgenommen, egal wie deutlich man ihm sagt, dass seine Texte inhaltlich vollkommen belanglos sind.

  20. #20 Dr. Webbaer
    27. August 2011

    @MartinB
    Belanglosigkeit ohne Argumentation festzustellen überzeugt eben nicht. Sie dürfen gerne Ihre Sichten zur Evolutionstheorie verteidigen, Dr. W folgt Ihnen ja durchaus in den Konsequenzen, nur nicht in der Betrachtung.

    MFG
    Dr. Webbaer (der wie swo oft eine agnostisch-positive Sicht auf die Moderne Wissenschaftlichkeit anregt, aber eben keine szientistische und an den Glauben an eine wie auch immer geartete Wahrheit [1])

    [1] Tautologien wie die Mathematik und Philosophie immer ausgenommen – sofern tautologisch bleibend *
    * Das sind “eigentlich” auch keine Nuancen und ist insofern wichtig und erörterungsfähig, auch wenn das bei Ihren Vorhaben keine direkte Rolle. Wenn’s um Beweise und Belege geht, Stichwort Beweistheorie, dann natürlich schon. Da werden oft böse Fehler gemacht, also das Statistische und Stochastische betreffend.

  21. #21 Dr. Webbaer
    27. August 2011

    @MartinB (v2.0)
    Belanglosigkeit ohne Argumentation festzustellen überzeugt eben nicht. Sie dürfen gerne Ihre Sichten zur Evolutionstheorie verteidigen, Dr. W folgt Ihnen ja durchaus in den Konsequenzen, nur nicht in der Betrachtung.
    MFG
    Dr. Webbaer (der wie so oft eine agnostisch-positive Sicht auf die Moderne Wissenschaftlichkeit anregt, aber eben keine szientistische und an den Glauben an eine wie auch immer geartete Wahrheit [1] gebundene)
    [1] Tautologien wie die Mathematik und Philosophie immer ausgenommen – sofern tautologisch bleibend *
    * Das sind “eigentlich” auch keine Nuancen und ist insofern wichtig und erörterungsfähig, auch wenn das bei Ihren Vorhaben keine direkte Rolle spielt oder zu spielen scheint. – Wenn’s um Beweise und Belege geht, Stichwort Beweistheorie, dann natürlich schon. Da werden oft böse Fehler gemacht, also das Statistische und Stochastische betreffend.

  22. #22 cydonia
    27. August 2011

    @MartinB
    Empfehlung wird befolgt. Diese verschachtelten Symbiosebeziehungen könnten übrigens tatrsächlich noch viel weiter verbreitet sein…..man fängt wohl gerade erst an sie wahrzunehmen. Nochmals danke für die Anregung.

  23. #23 Dr. Webbaer
    27. August 2011

    Es lohnt sich vielleicht auch ein Blick auf solche symbiotische Verbundsysteme – http://en.wikipedia.org/wiki/Siphonophorae – die aus Kolonien von spezialisierten Einheiten bestehen und zeigen, dass die Grenzen verwischen können. Symbiose kann selbstverständlich mehrschichtig und “verschachtelt” erfolgen.

    Man wäre dann wieder bei der Komplexität, die menschlicherseits vorgenommene Ein- und Zuordnungen schwierig werden und teilweise als “Krücken” nachweisen lässt. – Was jetzt wiederum nicht als Widerspruch/-rede zum Artikelinhalt zu verstehen ist.

  24. #24 Ludger
    21. September 2011

    Physiker·
    26.08.11 · 10:44 Uhr

    Schade, dass dieser interessante Beitrag mir nicht dabei hilft mein Zitrusbäumchen von diesem Ungeziefer zu befreien…

    geht mit einer Schmierseifen-Spiritus-Lösung (gibt es auch als Fertigmischung zu kaufen)
    http://www.steffenreichel.homepage.t-online.de/Citrus/SCHAEDL.html