Das Rätsel der «Fitnesslandschaften» lösen

Die ERC Advanced Grants des Europäischen Forschungsrats sind begehrt und fördern etablierte Spitzenforschende. Der Evolutionsbiologe und UZH-Professor Andreas Wagner erhält einen solchen Grant für sein Forschungsprojekt «Fitness seascapes and the role of weak selection in adaptive evolution». Es wird mit 2,5 Millionen Euro gefördert.

In den nächsten fünf Jahren wird der Forscher zusammen mit seinem Team grundlegenden Fragen rund um die biologische Fitness nachgehen. Mit Fitness ist dabei nicht körperliche Leistungsfähigkeit gemeint, sondern der evolutionäre Erfolg: Wie gut kann eine genetische Variante eines Organismus überleben und ihre Erbinformation an zukünftige Generationen weitergeben?

Im Fokus des Forschungsprojekts stehen sogenannte Fitnesslandschaften. Diese sind zentrale Konzepte in der Biologie und Evolutionstheorie, in der die Fitness einer genetischen Variante als Höhe auf einer abstrakten Fläche dargestellt wird. So entsteht eine Art Relief. «Eine Fitnesslandschaft kann man sich wie eine physische Landschaft vorstellen», sagt Wagner. «Jede Position steht für eine genetische Variante, also einen Genotyp. Die Höhe zeigt, wie gut diese Variante überlebt und sich vermehrt, wie fit sie also im biologischen Sinn ist.» Evolution kann als eine Bewegung hin zu hohen Gipfeln betrachtet werden, also zu besonders erfolgreichen Varianten.

«Mehrere jüngere Experimente haben gezeigt, dass unser Verständnis eines grundlegenden Aspekts der darwinistischen Evolution unzureichend ist», erklärt Wagner weiter. Denn die meisten Fitnesslandschaften sind stark zerklüftet. Evolution müsste deshalb häufig auf einem niedrigen Hügel steckenbleiben, obwohl in der Nähe höhere Gipfel liegen. In der Natur entstehen dennoch immer wieder Organismen mit hoher Fitness.

Das Projekt Seascapes wird zwei mögliche Lösungen für dieses Paradoxon untersuchen. Die erste ist Umweltwandel, der dazu führen kann, dass aus einer statischen Fitnesslandschaft eine Landschaft mit einer sich dynamisch verändernden Topografie wird, wie etwa eine Meereslandschaft mit sich ständig verändernden Wellenbergen und -tälern. Die zweite Möglichkeit: Neutrale DNA-Mutationen, welche die Fitness nicht verändern, können als Zwischenschritte zu besseren Lösungen dienen. Diese erlauben es, niedrige Hügel zu umgehen.

Mit modernen Methoden wie Geneditierung und künstlicher Intelligenz (KI) werden die Forschenden bis zu 100 Billionen genetischer Varianten analysieren. Sie führen diese Analysen in fünf sehr unterschiedlichen Systemen durch, zum Beispiel in Proteinen und DNA-Abschnitten, die Gene regulieren. Jede Landschaft wird in zwei oder mehr Umwelten kartiert, die unterschiedliche Kohlenstoffquellen, Antibiotika und andere Stressoren beinhalten. Das Forschungsteam wird diese Landschaftskarten mit populationsgenetischen Modellen verknüpfen, um drei Kernhypothesen zu testen. Wagners Ziel ist ambitioniert: «Das Projekt Seascapes könnte unser Verständnis der Evolution grundlegend verändern und hat mögliche Anwendungen in Bereichen wie Medizin und in der Entwicklung neuer Proteine.»