Vorfahren von Legionella-Bakterien infizierten Zellen vor zwei Milliarden Jahren

Forschende von der Universität Uppsala (Schweden) haben entdeckt, dass die Vorfahren von Legionella-Bakterien bereits vor zwei Milliarden Jahren eukaryotische Zellen infizierten. Kurz zuvor hatten Eukaryoten begonnen, sich von Bakterien zu ernähren. Diese Ergebnisse tragen auch zur Henne-oder-Ei-Debatte darüber bei, was zuerst da war: Mitochondrien oder Phagozytose.

„Unsere Studie kann uns dabei helfen zu begreifen, wie schädliche Bakterien entstehen und wie sich komplexe Zellen aus einfacheren Zellen entwickelt haben“, sagt Lionel Guy, außerordentlicher Professor für evolutionäre Mikrobiologie am Institut für medizinische Biochemie und Mikrobiologie der Universität Uppsala, der die Studie leitete.
Bereits vor zwei Milliarden Jahren hatten Vorfahren der Legionellen die Fähigkeit, sich der Verdauung durch Eukaryoten zu entziehen. Stattdessen begannen sie, eukaryotische Zellen – komplexe Zellen mit Zellkern, aus denen Amöben, Pilze und Menschen bestehen – zur Vermehrung zu verwenden.

„Wir entdeckten, dass der Vorfahre der gesamten Gruppe [der Legionellales] vor etwa zwei Milliarden Jahren lebte – zu einer Zeit, als Eukaryoten noch im Entstehen waren – und sich von einfacheren Zellen zu der komplexen Zellstruktur entwickelten, die sie heute haben“, erklärt Andrei Guliaev, ein Forscher am Institut für Medizinische Biochemie und Mikrobiologie der Universität Uppsala. „Wir glauben, dass Legionellales zu den ersten gehörten, die eukaryotische Zellen infizierten.“

Der erste Schritt bei einer Infektion mit Legionella-Bakterien besteht darin, dass ein eukaryotischer Wirt, wie beispielsweise eine Amöbe, das Bakterium durch einen als Phagozytose bezeichneten Prozess in seine Zelle einbringt. Der nächste Schritt für die Amöbe wäre, das Bakterium zu verdauen und seine Teile als Energiequelle zu nutzen.

Legionella-Bakterien verfügen jedoch über molekulare Werkzeuge, die verhindern, dass sie verdaut werden, und die es ihnen ermöglichen, stattdessen die Amöbe als Energiequelle zu nutzen, damit sie sich vermehren können.
In der Studie zeigen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass alle Legionellales über dieselben molekularen Werkzeuge wie Legionellen verfügen. Das deutet darauf hin, dass die Fähigkeit, Eukaryoten zu infizieren, bereits beim Vorfahren aller Legionellales bestand. Das bedeutet, dass die Phagozytose mindestens so alt ist wie Legionellales – zwei Milliarden Jahre –, als sich die Eukaryoten in den frühen Stadien ihrer Evolution befanden.
Das hat Auswirkungen auf eine heiße Henne-Ei-Debatte in der Evolutionsbiologie darüber, wie Eukaryoten entstanden sind. Was war zuerst da? Waren es die Mitochondrien, die aus einer anderen Bakteriengruppe stammen und zu Energiefabriken unserer Zellen wurden? Oder war es die Phagozytose, die für die Aufnahme von Mitochondrien als notwendig erachtet wird, aber energetisch sehr aufwendig ist?

„Einige Forscher glauben, dass die Mitochondrien benötigt werden, um genügend Energie zu liefern, damit die Phagozytose funktioniert. Aber unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Phagozytose zuerst kam – vor zwei Milliarden Jahren – und die Mitochondrien später“, fasst Guy zusammen.