Evolution simulieren und Alterungsprozesse untersuchen mit neuer Software

Eine neue Software (AEGIS) ermöglicht es Forschenden nun, die Evolution verschiedener Populationen unter unterschiedlichen Bedingungen virtuell und in Echtzeit am Computer zu simulieren. Dadurch wird deutlich: Das Altern ist zwar komplex, folgt aber einfachen Regeln.

Warum leben manche Arten nur wenige Wochen, während andere Jahrhunderte überdauern? Forschende am Leibniz-Institut für Alternsforschung (FLI) in Jena haben mit AEGIS ein frei verfügbares Software-Tool entwickelt, das die Simulation der Evolution am Computer ermöglicht. So können Wissenschaftler untersuchen, wie Lebensspanne und Altern unter unterschiedlichen ökologischen Bedingungen und genetischen Einschränkungen entstehen.

Die Entwicklung der Software nahm mehrere Jahre in Anspruch und stellt einen wichtigen Meilenstein für die Evolutionsbiologie des Alterns dar. In der in „PLoS Computational Biology“ veröffentlichten Studie wird die Plattform näher beschrieben.

Evolutionsprozesse in Echtzeit untersuchen?

Das Altern ist keine feststehende Eigenschaft des Lebens. Innerhalb des Stammbaums des Lebens unterscheiden sich die Arten erheblich darin, wann sie zu altern beginnen, wie schnell sie altern und wie lange sie leben. Zu verstehen, welche evolutionären Faktoren diese Vielfalt verursacht haben, ist eine der grundlegendsten offenen Fragen der Biologie. Experimente in freier Wildbahn sind jedoch langwierig und schwer zu wiederholen; Laborexperimente zur Evolution dauern Jahre. Doch die Evolution lässt sich nun in silico simulieren – im großen Maßstab und in der Geschwindigkeit eines Laptop-Prozessors.

AEGIS (Aging of Evolving Genomes In Silico) ist ein plattformübergreifendes, Individuen-basiertes Simulationsprogramm, das von Forschenden im Valenzano-Labor am FLI entwickelt wurde. Es simuliert Populationen virtueller Individuen, von denen jedes ein vererbbares Genom trägt, das altersspezifische Überlebens- und Fortpflanzungswahrscheinlichkeit bestimmt. Anders als bei herkömmlichen Modellen, die auf vorgegebenen Gleichungen basieren, erlaubt AEGIS, dass Altern, Lebensdauer und demografische Muster als Ergebnis evolutionärer Prozesse unter benutzerdefinierten Bedingungen von unten nach oben entstehen zu lassen.

Simulation der Evolution am Computer

AEGIS bietet neben einer benutzerfreundlichen grafischen Oberfläche auch einen Webserver für Anwender ohne lokale Installation. Ebenso erleichtert die integrierte Darstellungs- und Analysefunktionen sowie eine umfassende Dokumentation Forschenden mit unterschiedlichem technischen Hintergrund den Zugang. 

„AEGIS wurde entwickelt, um Experimente in silico durchzuführen. Forschende können mit dessen Hilfe virtuelle Organismenpopulationen oder sogar einzelne Zellen sich genetisch entwickeln lassen – unter verschiedenen Selektionsdrücken sowie unterschiedlichen Umwelt- und Nischenbedingungen,“ erklärt Prof. Dario Riccardo Valenzano, Wissenschaftlicher Direktor am FLI und leitender Autor der Publikation.

Externe Einflüsse wie Raubtiere, Parasiten, Hunger oder saisonaler abiotischer Stress können individuell konfiguriert werden. Weitere modifizierbare Parameter sind unter anderem: sexuelle und asexuelle Fortpflanzung, überlappende und nicht überlappende Generationen sowie variierende Mutationsraten in der Keimbahn.

Altern beruht auf einfachen Regeln

Die Studie zeigt: In einer Population von Individuen, die sich vermehren, mutieren und Erbgutmodule tragen, die ihre altersspezifischen Überlebens- und Fortpflanzungschancen beeinflussen, setzt der Alternsprozess mit Beginn der Geschlechtsreife automatisch ein. Ein spezielles „Alternsprogramm“ oder ein besonderer molekularer Mechanismus ist dafür nicht erforderlich. Altern ist kein biologisches Rätsel, für das eine neue Erklärung gesucht werden müsste – es ist die logische Konsequenz der grundlegenden Regeln der erblichen Variation unter alternsstrukturierter Selektion. Eine Vorhersage, die bereits 1966 von Hamilton mathematisch formuliert wurde und die nun mithilfe von AEGIS direkt beobachtet und experimentell untersucht werden kann.

„AEGIS zeigt, dass mit wenigen einfachen Bestandteilen – Replikation, Mutation und sich entwickelnden Genmodulen, die Überleben und Fortpflanzung in bestimmten Altersstufen beeinflussen – nach der Geschlechtsreife das Altern unvermeidlich entsteht“, erklärt Valenzano. „Kein großes Rätsel. Nur eine Folge der grundlegenden evolutionären Prinzipien.“

Reproduktion und Erweiterung klassischer Experimente

Eine zentrale Erkenntnis der Studie ist die computergestützte Nachbildung des klassischen Experiments von Rose (1984) mit Drosophila melanogaster. In diesem Experiment entwickelten Fliegenpopulationen, die so selektiert wurden, dass sie sich erst spät im Leben fortpflanzten, über mehrere Generationen hinweg eine verlängerte Lebensdauer.

AEGIS bestätigt dieses Ergebnis und erweitert es: Denn werden die weiterentwickelten Populationen anschließend in eine simulierte, wildtypähnliche naturnahe Umgebung mit hoher äußerer Sterblichkeit versetzt, dann verschwindet ihr Vorteil in der Lebensdauer nahezu vollständig.

Dies entspricht theoretischen Vorhersagen, wonach eine verzögerte Seneszenz unter hohen natürlichen Gefahren kaum entstehen kann. AEGIS zeigt damit nicht nur, dass bereits bekannte Ergebnisse reproduziert werden können, sondern ermöglicht es auch, deren Randbedingungen zu untersuchen und daraus neue Erkenntnisse zu gewinnen, die experimentell nur schwer oder gar nicht überprüfbar wären.

Ein Tool für zugängliche und skalierbare Forschung

Über spezifische Experimente hinaus liefert AEGIS umfassende demografische, phänotypische und genotypische Daten, die populationsgenetische Analysen unterstützen – zum Beispiel Standortfrequenzspektren oder Veränderungen von Allelfrequenzen über die Zeit. So ermöglicht es, genetisch bedingte Todesursachen von umweltbedingten Einflüssen zu unterscheiden. Phänomene, wie die Abflachung der Sterberate im hohen Alter oder die rechteckartige Form von Überlebenskurven, entstehen dabei automatisch aus den Simulationen, ohne dass sie zuvor als Annahmen festgelegt werden.

„Mit AEGIS lassen sich Experimente direkt auf dem Laptop durchführen und große Datenmengen generieren“, so Valenzano. „Dieses Tool kommt zu einer Zeit, in der die Systembiologie und Datenwissenschaft zunehmend Teil der Lehrpläne zur Biologie des Alterns werden. Wir freuen uns, dass AEGIS nun verfügbar ist, und darauf, dass es von einer wachsenden Zahl von Forschenden genutzt wird, um zu untersuchen, wie die Evolution die Lebensdauer und das Altern prägt.“