Beweis des Zufallscharakters von Genmutationen
Laut biologischer Definition sind Mutationen spontane, d. h. natürlich verursachte, oder durch Mutagene induzierte Veränderungen des Erbguts (Veränderung der Basensequenz), die sich möglicherweise phänotypisch zeigen. Die Bezeichnung „Mutation“ wurde um 1901 von HUGO DE VRIES eingeführt. Cytologisch lassen sich Mutationen in 3 Gruppen einteilen: Genommutationen, Chromosomenmutationen und Genmutationen oder Punktmutationen. MAX DELBRÜCK (1906-1981) und SALVADOR LURIA (1912-1991) bewiesen in ihren Experimenten 1943 sowie JOSHUA LEDERBERG (1925-2008) 1952 die spontane Entstehung von Mutationen und die Nichtausrichtung auf einen bestimmten Adaptationswert.
Im Fall der Genmutation sind die Veränderungen des Erbguts auf einen bestimmten Abschnitt eines Gens beschränkt (Punktmutationen). Zu den Genmutationen zählen Basenaustauschmutationen, Insertionen und Deletionen, die nur wenige Basenpaare umfassen.
Durch Genmutationen entstehen neue, innovative Allele, die zur Änderung von Merkmalen führen können und im Endeffekt die Anpassung einer Art an die herrschenden Umweltbedingungen bewirken. Mutationen stellen somit den Motor der Evolution dar. Viele Jahre wurde über den Entstehungscharakter von Mutationen diskutiert. Entstehen sie erst infolge des starken Umweltstresses und bewirken somit die Anpassung – ein lamarckistischer Denkansatz. Oder finden Mutationen immerwährend, spontan, ungerichtet, nicht auf den Anpassungswert (Adaptationswert) orientiert, statt – ein darwinistischer Denkansatz.
Zunehmende Kenntnisse zum Genom und zu Mutationsmechanismen, aber auch die Experimente von DELBRÜCK und LURIA 1943 sowie LEDERBERG 1952 bewiesen, dass die zweite Ansicht richtig ist. Mutationen entstehen zufällig für einzelne Zellen bzw. den Organismus. Ob die genetische Änderung Vorteile, Nachteile oder keine Auswirkungen bezüglich der bestehenden Umweltverhältnisse mit sich bringt, ist aus Sicht der Mutation unerheblich. Mutationen sind nicht auf einen Anpassungswert orientiert. Die Phänotypen, die auf der Basis der Genotypen unter Einfluss der Umwelt entstehen, werden von der Umwelt auf ihre Anpassung im Sinne einer möglichst hohen Umweltunabhängigkeit geprüft. Erst hier zeigt sich der „Wert“ einer entstandenen Mutation – positiv, neutral oder negativ.
-
Fluktuationstest
Fluktuationstest nach DELBRÜCK und LURIA
Bei diesem Fluktuationstest werden Bakterien, die keine Resistenzen gegenüber Bakteriophagen oder Antibiotika besitzen, in einem flüssigen Medium vermehrt. Dann wird die Ausgangspopulation geteilt. Die eine Hälfte wächst gemeinsam weiter. Die zweite wird dagegen in mehrere, kleine Einzelproben aufgeteilt. Nach mehreren Generationen kann die Vermehrung der einzelnen Bakterienkulturen unter geänderten Umweltbedingungen getestet werden. Dazu werden sie auf Nährböden in Petrischalen übertragen, die als widrige Umweltbedingung beispielsweise Bakteriophagen oder ein Antibiotikum enthalten. Auf den Nährböden können sich nur bereits resistente Bakterienindividuen vermehren, nichtresistente würden sofort abgetötet werden.
Die erste Hälfte der Bakterienkultur (gemeinsame Vermehrung) wurde gleichmäßig auf mehrere Petrischalen übertragen. Nach Bebrütung bildete sich auf allen Nährböden etwa die gleiche Anzahl von Bakterienkolonien, die gegen die Phagen oder das Antibiotikum resistent sind. Die widerstandsfähigen Mutanten entstanden vorher in der Kulturlösung ohne Wirkung des schädlichen Faktors. Die Mutanten besitzen jetzt, nach Änderung der Umweltbedingungen, einen Selektionsvorteil.
Mit den kleineren Einzelproben der anderen Hälfte wird ähnlich verfahren. Jede Probe wird auf einen Testnährboden geimpft. Die Anzahl der gewachsenen Bakterienkolonien ist erheblichen Schwankungen (Fluktuationen) unterworfen. Auf einigen Platten wachsen keine resistenten Mutanten, auf anderen dagegen unterschiedlich viele. Die Fluktuationen können mit der Wahrscheinlichkeit und dem Zeitpunkt des Auftretens von Mutationen in den Populationen der Einzelproben erklärt werden. Je früher in einer Einzelprobe eine Mutation stattfand, umso mehr Teilungen der mutierten Individuen fanden statt und umso höher lag die Zahl der resistenten Kolonien auf den Nährböden.
Stempeltechnik nach LEDERBERG
Stempeltechnik: Mit einem Stempel, der genau in eine Petrischale passt und dessen Oberfläche mit Samt überzogen ist, können Bakterienkolonien in gleicher Anordnung von einer Schale in eine andere überstempelt werden (Replica-Plattierung).
In einer Petrischale werden zunächst nichtresistente Bakterien auf Nährmedium kultiviert. Es entstehen viele, dicht beieinanderliegende Kolonien. Durch Stempelung werden Individuen der Kolonien in gleicher Anordnung auf andere Nährböden übertragen. Nach kurzer Bebrütung werden Bakteriophagen aufgeschwemmt. Phagenresistente Kolonien bleiben auf den Nährböden zurück, die restlichen Bakterien sterben ab. Bei allen gestempelten Platten liegen die resistenten Kolonien an der gleichen Stelle. Sie sind also aus Mutanten der Ausgangsplatte hervorgegangen. Diese Mutanten entstanden vor dem Wirken der Bakteriophagen – zufällig und ohne Adaptationswert.
Beide Experimente belegten in damaliger Zeit sehr eindrucksvoll den Zufallscharakter und die Ungerichtetheit von Mutationen. Neuere Erkenntnisse mit bestimmten E. coli-Mutanten ließen aber Zweifel an der Allgemeingültigkeit dieser These aufkommen. Unter bestimmten experimentellen Bedingungen können vermutlich ab und zu auch gerichtete, adaptive Mutationen auftreten. Weitere Erkenntnisse müssen noch gewonnen werden.
