Viren können evolutionär eingefroren bleiben – bis sie in eine neue Gemeinschaft gelangen

Eine neue Studie von Forschenden der FSU Jena, der Universität Utrecht und des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön zeigt: Viren entwickeln sich nicht immer schnell weiter, selbst wenn sie sich massiv vermehren. Entscheidend ist vielmehr auch die mikrobielle Gemeinschaft, in der sie vorkommen.

Auf den Punkt

• Evolutionärer Stillstand: Viren können über viele Monate genetisch stabil bleiben, selbst während sehr großer Ausbrüche.
• Gemeinschaft entscheidet mit: Die Evolution eines Virus hängt nicht nur von seiner Häufigkeit ab, sondern auch von der mikrobiellen Gemeinschaft, in der es vorkommt.
• Schnelle Veränderung nach Migration: Gelangt ein Virus in eine neue Gemeinschaft, kann es sich durch Rekombination und Mutationen in Genen der Wirtserkennung rasch verändern.

Die Studie wurde von Forschenden der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Universität Utrecht und des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön durchgeführt. Das Team untersuchte über den Zeitraum eines Jahres Viren, die Bakterien infizieren – sogenannte Bakteriophagen – in experimentell gezüchteten mikrobiellen Kompostgemeinschaften. Diese Gemeinschaften waren hochkomplex, umfassten hunderte bakterielle Gattungen und wurden unter kontrollierten Laborbedingungen auf Cellulose kultiviert.

Dabei entdeckten die Forschenden einen bisher nicht beschriebenen Bakteriophagen, den sie Theomophage nannten. In einigen mikrobiellen Gemeinschaften löste dieses Virus enorme Ausbrüche aus. Auf dem Höhepunkt machte Theomophage bis zu 74 Prozent des gesamten genetischen Materials aus, das aus einer Gemeinschaft gewonnen wurde. Damit handelt es sich um den größten bislang dokumentierten Ausbruch eines Bakteriophagen.

Trotz dieser außergewöhnlich starken Vermehrung zeigte Theomophage eine bemerkenswerte genetische Stabilität. In Gemeinschaften, in denen das Virus bereits etabliert war, blieb es über viele Monate hinweg nahezu unverändert. Das ist überraschend, da große Viruspopulationen häufig mit vielen Gelegenheiten für neue Mutationen und schnelle evolutionäre Veränderung verbunden werden.

Anders sah es aus, wenn Viren zwischen verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften migrieren konnten. Gelangte Theomophage in einen anderen Typ mikrobieller Gemeinschaft, begann sich das Virus rasch weiterzuentwickeln. Diese Evolution umfasste genetische Rekombination sowie Mutationen, die sich besonders in Genen konzentrierten, die vermutlich an der Erkennung und Infektion bakterieller Wirte beteiligt sind.

„Diese Studie zeigt, dass virale Evolution nicht einfach davon abhängt, wie viele Viruspartikel produziert werden“, sagt Paul B. Rainey, Professor am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön. „Der ökologische Kontext ist entscheidend. Ein Virus kann in einer Gemeinschaft nahezu eingefroren bleiben, aber sich rasch verändern, sobald es auf eine neue Gruppe potenzieller Wirte trifft.“

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass virale Evolution in natürlichen mikrobiellen Gemeinschaften weniger allein durch die Häufigkeit eines Virus bestimmt wird als durch die Gemeinschaft, in der es vorkommt. Migration in neue ökologische Umgebungen kann Viren mit anderen Wirten und neuen Selektionsbedingungen konfrontieren – und so nach langen Phasen des Stillstands schnelle evolutionäre Veränderungen auslösen.

Die Studie trägt dazu bei zu erklären, warum Viren in der Natur manchmal überraschend stabil erscheinen, obwohl sie für ihre schnelle Evolution bekannt sind. Zugleich unterstreicht sie, wie wichtig der Kontext mikrobieller Gemeinschaften dafür ist, wie Viren sich anpassen, diversifizieren und in komplexen Ökosystemen bestehen.