Fluktuationstest

Max Delbrück und Salvador Edward Luria schlugen 1943 den sogenannten Fluktuationstest (auch Luria-Delbrück-Experiment) an Bakterien vor. Sie zeigten, dass Mutationen zufällig entstehen und nicht als Reaktion auf geänderte Bedingungen in der Umwelt.

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Die genaue experimentelle Durchführung variiert, meist wird die Resistenzbildung von Bakterien gegenüber Antibiotika oder Bakteriophagen untersucht. Bakterien sind haploid und deshalb besonders geeignet. Denn eine Mutation zeigt in der DNA im Regelfall den entsprechenden Phänotyp.

Versuchsbeschreibung

Die folgende Darstellung ist gegenüber dem Originalexperiment leicht abgewandelt, im Prinzip jedoch gleich: Man kultiviert Bakterien in einer Nährlösung (Medium). Dieser Ansatz (z.B. in Reagenzgläsern) wird mehrfach parallel angesetzt, aber sonst exakt gleich behandelt. So kann man z.B. 10 Reagenzgläser mit identischen Medien mit Bakterien einer einzigen Ursprungskolonie animpfen und kultivieren. Nach einer Weile bestimmt man (zu verschiedenen Zeitpunkten), wie viele Bakterien eines jeden Kulturgefäßes antibiotikaresistent sind, z.B. indem man eine Probe der Kultur auf antibiotikahaltige Agarplatten gibt und feststellt, wie viele Bakterien überleben und auf einer solchen Platte wachsen können.

Was wird passieren? Zunächst einmal wird der größte Teil der in Kultur gewachsenen Bakterien durch die Antibiotikawirkung absterben. Einige werden aber durch eine Mutation (hier: am Angriffspunkt des Antibiotikums) unempfindlich gegen das Antibiotikum sein und können in dessen Gegenwart überleben und sich vermehren.

Falls Mutationen zielgerichtet sind, sollte man erwarten, dass in den Kulturröhrchen ohne ein Antibiotikum keine resistenten Zellen vorhanden sind, da ja dafür keine Notwendigkeit besteht. Kommen die Zellen nun mit dem Antibiotikum in Kontakt, so würden einige wenige von ihnen in der Lage sein, in Gegenwart des Antibiotikums zu wachsen, da sie sich anpassen konnten. Statistisch gesehen würde diese Anzahl jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten und auch für die verschiedenen Röhrchen relativ gleich sein (also wenig fluktuieren).

Im anderen Falle würden Bakterien der einzelnen Kulturen zu zufälligen Zeitpunkten und in zufälliger Anzahl durch Mutation resistent werden. In Kultur ohne Antibiotikum macht sich dies nicht bemerkbar, werden allerdings Proben entnommen und auf Agarplatten mit antibiotikahaltigem Medium kultiviert, so würde sich die Anzahl resistenter Zellen von Probe zu Probe stark unterscheiden (und zwar rein zufällig, also fluktuieren). Fand eine zufällige Mutation mit Resistenzausbildung zudem relativ früh statt, so werden wahrscheinlich mehr Zellen in Gegenwart des Antibiotikums wachsen können als im Falle einer späten Mutation (wobei Resistenz durch eine erneute Mutation natürlich wieder verloren gehen könnte).

Das Experiment zeigte nun deutlich, dass letztere Annahme sich bestätigte und Mutationen ungerichtet und zufällig entstehen. Dass sie unter den Testbedingungen sichtbar werden, liegt lediglich daran, dass resistente Zellen durch die Gegenwart des Antibiotikums selektioniert werden.

Eine andere Variante

Man kann das Experiment auch mittels Ausbildung einer Resistenz gegenüber T - Bakteriophagen zeigen. Der Phage besitzt einen hochspezifischen Andockmechanismus, dessen Effizienz stark von der spezies-spezifischen Oberfläche des Bakteriums abhängt (Antigenstrukturen, Lipoproteine oder Lipopolysaccharide). Mutiert die genetische Information zur Synthese dieser Moleküle und verändert sich daraufhin die Oberflächenstruktur der Mikroorganismen, kann es sein, das der Phage den Wirt nicht mehr infizieren kann. Es ist ein resistenter Klon entstanden.

Der weitere experimentelle Verlauf ist identisch mit dem oben Beschriebenen und auch die Ergebnisse dieser Versuchsvariante bestätigen die Theorie einer zufällige und ungerichteten Mutation.

Literatur

• Luria, S. E., Delbrück, M.: Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance. Genetics 28, 491 (1943)