SFB 680: Molekulare Grundlagen evolutionärer Innovationen
Medizin
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Forschung des SFB 680 fand im Kontext rasch wachsender Daten zu Genomsequenzen, Genregulation und metabolischen Netzwerken statt. Die neuen molekularen Daten eröffneten ungeahnte Möglichkeiten zur Beantwortung von Kernfragen der Evolution. Eines unserer wesentlichen Ziele war zu verstehen, wie Differenzen zwischen Spezies auf Variationen innerhalb einer Spezies aufbauen. Durch vergleichende genomische und funktionale Analysen haben wir gezeigt, wie funktionale Innovationen aus Änderungen von Gen-Wechselwirkungen in regulatorischen und metabolischen Netzwerken entstehen. Wiederholbare Veränderungen in Netzwerken erklären zum Beispiel die konvergente Evolution der Photosynthese, die Entstehung neuer Blütezyklen und Blattformen in Pflanzen sowie die Evolution der embryonalen Entwicklung von Insekten. Wir fanden auch einen komplementären Innovationsmodus: neue Gene, die manchmal aus nicht-kodierender Genomsequenz entstehen, können biologische Funktionen bestimmter Abstammungslinien erzeugen. Von gleicher Wichtigkeit war unsere Entwicklung neuer, quantitativer Verbindungen zwischen Experiment, Datenanalyse und Theorie in der Evolution. Dieser Fortschritt beruhte wesentlich auf zeitaufgelösten Daten mikrobieller und viraler Systeme, in denen die Evolution in Echtzeit verfolgt werden kann. Wir konnten zeigen, dass viele derartige Systeme einen schnellen Evolutionsmodus haben, in dem mehrere vorteilhafte Mutationen im Wettbewerb stehen. Welche Mutationen vorteilhaft sind wird durch empirische Fitnesslandschaften beschrieben, die wir aus beobachteten Zeitreihen evolutionärer Prozesse ableiten konnten. Aber ein Verständnis, warum Mutationen vorteilhaft sind, muss auf den physikalischen Grundlagen der Evolution aufbauen; dies war ein Kernthema des SFBs. Wir haben untersucht, wie Mutationen wichtige biophysikalische Merkmale einer Zelle beeinflussen, darunter Bindungsenergien, die Stabilität von Proteinen und metabolische Flüsse, und wir haben die Auswirkung dieser Phänotypen auf organismische Funktionen und Fitness bestimmt. Die resultierende evolutionäre Dynamik zeigt weitreichende Querverbindungen zur statistischen Physik: Systeme im Gleichgewicht gehorchen einer Boltzmann-Statistik der Fitness, während zeitabhängige Fitness Adaptationsprozesse im Nichtgleichgewicht erzeugt. Insgesamt hat unsere Forschung zu einem besseren Verständnis schnell evolvierender Systeme geführt, darunter wichtiger Krankheitserreger im Menschen, und damit Wege für neue Anwendungen der Evolutionsbiologie in der Medizin eröffnet. Mehr über unsere Forschung findet sich auf der Webseite des SFB 680.
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