The aim of this work is to study the stability of asexual (non-recombining) genomes. Towards this end several approaches are taken. To investigate the effects of observed, high mutation rates on long-term viability of mitochondria, Mullerís ratchet theory is employed. As analytic approximations allow only predictions for a limited range of the three parameters, effective population size, mutation rate and selection coefficient, individual-based simulations are performed to check and extend the analytic solutions. Results show that Mullerís ratchet might indeed be a threat to mitochondria on a 20 million year timescale and thus appears to complement the threat that is known to come from the high deleterious mutation rates in the nuclear genome. A variety of biological processes promoted to solve this genomic decay paradox are discussed. Reviewing potential solutions shows the enormous need for further simulation models and more computing time to address these issues. Therefore, the design for a software framework is proposed that uses the power of global computing to investigate individual-based models of evolution. The first simulator in a long series of future simulators is implemented and used to start the first global computing system for evolutionary biology, evolution@home (see http://www.evolutionary-research.net). Its results (>28 000 simulations, >16 years CPU time from >200 participants) are used to investigate potential solutions for the discrepancy between high, short-term intergenerational mutation rates observed of human mitochondria and low, long-term mutation rates inferred from phylogenies. Further details of Mullerís ratchet are observed for the first time. The same set of tools that allows quantification of Mullerís ratchet in mtDNA is applied to (non-recombining) microbes, to investigate consequences of deleterious mutations in their genomes. As conclusions critically depend on estimates for deleterious genomic mutation rates, a system is developed for analysis of large numbers of growth curves. This system is used to quantify the deleterious mutation rate of a population of E. coli in a stationary phase mutation accumulation experiment according to the Bateman-Mukai technique. Further observations include unprecedentedly accurate measurements of the maximal growth rate in an overnight culture and potential evolutionary effects of freezing in glycerol at -70ƒC. Detailed analysis shows that Mullerís ratchet might contribute significantly to the majority of uncultivable bacteria.     «

The aim of this work is to study the stability of asexual (non-recombining) genomes. Towards this end several approaches are taken. To investigate the effects of observed, high mutation rates on long-term viability of mitochondria, Mullerís ratchet theory is employed. As analytic approximations allow only predictions for a limited range of the three parameters, effective population size, mutation rate and selection coefficient, individual-based simulations are performed to check and extend the a...     »

Diese Arbeit untersucht die Stabilität asexueller (nicht rekombinierender) Genome mit mehreren Methoden. Die Auswirkung der beobachteten, hohen Mutationsraten auf die langfristige Stabilität von Mitochondrien wurde mit theoretischen Überlegungen zu Mullerís Ratsche untersucht. Weil analytische Näherungen für die Berechnung der Geschwindigkeit der Ratsche nur in einem eingeschränkten Bereich der drei Parameter Selektionskoeffizient, Mutationsrate und effektive Populationsgröße möglich sind, wurden Individuen-basierte Simulationen durchgeführt. Diese sollten die analytischen Voraussagen überprüfen und erweitern. Die Ergebnisse zeigen, dass Mullerís Ratsche über einen Zeitraum von 20 Millionen Jahren in der Tat eine Bedrohung sein könnte. Damit scheint die bekannte Bedrohung durch hohe Mutationsraten im Zellkern ein mitochondriales Gegenstück bekommen zu haben. Vielfältige biologischen Prozesse die dieses Genomzerfallsparadox lösen könnten, werden diskutiert. Sieht man diese möglichen Lösungen, wird schnell klar, dass unter anderem viele weitere Simulationsmodelle mit einem enormen Rechenzeitbedarf nötig sein werden, um mehr herauszufinden. Daher wird ein Design für ein Software Framework vorgeschlagen, welches die Rechenkraft von global verteiltem Rechnen über das Internet für Individuen-basierte Modelle nutzt. Der erste Simulator in einer langen Reihe zukünftiger Simulatoren wurde implementiert, um das erste Global Computing System für die Evolutionsbiologie zu starten: evolution@home (siehe http://www.evolutionary-research.net). Die errechneten Ergebnisse (>28 000 Simulationen, >16 Jahre Prozessorzeit von >200 Teilnehmern) helfen beim Lösen der Diskrepanz von den hohen, beobachteten mitochondrialen Mutationsraten zwischen Generationen und den niedrigen, erschlossenen Raten aus phylogenetischen Stammbäumen. Neue Details zu Mullerís Ratsche wurden ebenfalls beobachtet. Der gleiche theoretische Ansatz kann auch auf (nicht rekombinierende) Mikroben übertragen werden, um abzuschätzen, welche Auswirkungen die Entstehungsrate nachteiliger Mutationen auf ihre Genome hat. Weil die Schlussfolgerungen ganz entscheidend von dieser Rate abhängen, wurde ein System entwickelt, mit dem sehr große Mengen (>6000) an Wachstumskurven analysiert werden können. Dieses System wurde benutzt, um die nachteilige Mutationsrate von E. coli in einem stationäre-Phase Mutationsakkumulationsexperiment nach der Bateman-Mukai Technik abzuschätzen. Dabei wurden auch besonders genaue Messungen der maximalen Wachstumsrate einer Übernachtkultur gemacht und mögliche evolutionäre Effekte beim Einfrieren auf -70ƒC in Glyzerin beobachtet. Detaillierte Analysen zeigen, dass Mullerís Ratsche durchaus einen bedeutenden Teil zu der Mehrheit der unkultivierbaren Bakterien beisteuern könnte.     «

Diese Arbeit untersucht die Stabilität asexueller (nicht rekombinierender) Genome mit mehreren Methoden. Die Auswirkung der beobachteten, hohen Mutationsraten auf die langfristige Stabilität von Mitochondrien wurde mit theoretischen Überlegungen zu Mullerís Ratsche untersucht. Weil analytische Näherungen für die Berechnung der Geschwindigkeit der Ratsche nur in einem eingeschränkten Bereich der drei Parameter Selektionskoeffizient, Mutationsrate und effektive Populationsgröße möglich sind, wurde...     »