Chromatin is dispensable for bacterial life

In jeder lebenden Zelle schweben die genetischen Anweisungen für das Leben nicht frei in einem losen Knäuel umher. Stattdessen sind die langen DNA-Stränge eng organisiert und um spezielle Proteine gewickelt, wodurch eine Struktur entsteht, die Wissenschaftler Chromatin nennen. Man kann sich diese Anordnung wie eine Bibliothek vorstellen, in der Bücher nicht einfach nur auf dem Boden gestapelt sind, sondern sorgfältig in Regalen einsortiert und indexiert wurden, damit die Zelle die richtigen Informationen zur richtigen Zeit finden und lesen kann. In komplexen Lebensformen wie Menschen bestehen diese Proteinregale aus einem speziellen Typ namens Histone. In Bakterien, den mikroskopisch kleinen einzelligen Organismen, die die Erde seit Milliarden von Jahren bewohnen, wird diese Aufgabe von einem anderen Satz von Proteinen übernommen, die als Nukleoid-assoziierte Proteine bekannt sind. Diese bakteriellen Proteine biegen, wickeln und überbrücken die DNA, um sie kompakt und organisiert innerhalb des winzigen Raums der Zelle zu halten. Lange Zeit nahmen Wissenschaftler an, dass diese Protein-DNA-Partnerschaft so grundlegend für das Leben sei, dass eine Zelle ohne sie unmöglich überleben könne, so wie eine Bibliothek nicht funktionieren könnte, wenn all ihre Regale entfernt würden.

Ein Forscherteam ging mit der kühnen Frage an die Arbeit, diese Annahme zu testen: Könnte ein Bakterium leben, wenn es gar keine Chromatin-Proteine besäße? Um die Antwort zu finden, arbeiteten sie mit E. coli, einem gewöhnlichen Bakterium, das als Standardmodell zum Verständnis des zellulären Lebens dient. Sie identifizierten die neun am häufigsten vorkommenden Proteine, die normalerweise die bakterielle DNA umhüllen und organisieren. Nacheinander, und dann in Kombination, entfernten sie die genetischen Anweisungen für diese Proteine aus dem eigenen Genom des Bakteriums. Das Ergebnis war ein einzigartiger Stamm von E. coli, dem sein natives Chromatin gänzlich fehlte. Dies schuf eine lebende Zelle, die ihr genetisches Material ohne die übliche strukturelle Unterstützung verwalten musste, was die Forscher dazu zwang, zu beobachten, wie der Organismus sich an diese radikale Veränderung anpasste.

Die Wissenschaftler beobachteten genau, was mit der internen Architektur der Zelle und ihrer Fähigkeit zu wachsen passieren würde. Sie untersuchten, wie die DNA gepackt war, wie sie sich verdrehte und wie die Zelle ihre Gene ablas. Überraschenderweise starb das Bakterium nicht. Die Zelle lebte weiter, teilte sich und führte die grundlegenden Funktionen aus, die für das Leben erforderlich sind, was bewies, dass Chromatin-Proteine für das Überleben von Bakterien nicht zwingend essenziell sind. Die Kosten dieses Überlebens waren jedoch erheblich. Ohne die organisierenden Proteine veränderte sich die interne Struktur der Zelle auf unerwartete Weise. Die DNA verlor einen Teil ihrer spezifischen Organisation, und die Art und Weise, wie die Zelle ihre Gene steuerte, wurde chaotisch. Anstatt bestimmte Gene in präzisen Mustern an- oder auszuschalten, begann die Zelle, ein gleichförmigeres, flacheres Aktivitätsniveau über ihr gesamtes Genom hinweg zu produzieren. Diese globale Verwirrung bedeutete, dass die Zelle ihre Fähigkeit verlor, präzise auf die Umgebung zu reagieren oder bestimmte schädliche genetische Elemente, wie etwa ruhende Viren, unter Kontrolle zu halten.

Die Studie zeigt, dass ein Bakterium zwar physisch ohne seine Chromatin-Proteine existieren kann, es aber Schwierigkeiten hat, mit der gleichen Präzision und Flexibilität wie eine normale Zelle zu funktionieren. Die Proteine sind nicht nur dazu da, die DNA zusammenzuhalten; sie fungieren als ein ausgeklügeltes Managementsystem, das genetische Informationen kompartimentiert und es der Zelle ermöglicht, egoistische Elemente zu unterdrücken und ihre Aktivität schnell zu reprogrammieren, wenn sich die Bedingungen ändern. Die erfolgreiche Erschaffung dieses proteinfreien Stammes zeigt, dass die Maschinerie des Lebens robuster ist als bisher angenommen und selbst dann operieren kann, wenn sie ihrer mit der Evolution entwickelten Organisationswerkzeuge beraubt wurde. Gleichzeitig verdeutlichen die Ergebnisse, wie wichtig diese Proteine für die komplexe, dynamische Kontrolle des Lebens sind, und legen nahe, dass wir zwar die Art und Weise, wie Bakterien ihre Gene verwalten, radikal umgestalten könnten, dies jedoch ohne diese natürlichen Regulatoren dazu führen würde, dass der Organismus darum kämpfen muss, sich in einer sich verändernden Welt zurechtzufinden.