Membrantransport von Citrat in Penicillium simplicissimum

Penicillium simplicissimum ist ein schwermetalltoleranter Boden-Pilz, der bei der biohydrometallurgischen Laugung von Metallen aus Industrieabfällen und Armerzen eingesetzt werden kann. Die Metalle werden durch organische Säuren (vor allem Citronensäure), die der Pilz ausscheidet, in Lösung gebracht. Biohydrometallurgische Verfahren zur Gewinnung bzw. zum Recycling von Metallen sind weniger umweltbelastend und verbrauchen weniger Energie als traditionelle Verfahren. Es gibt Hinweise darauf, daß in Penicillium simplicissimum der Transport durch die Plasmamembran die Rate der Citratausscheidung - und damit die Rate der Metallaugung - beeinflusst. Trotz dieser Hinweise wurde der Mechanismus des Transportes durch die Plasmamembran bis jetzt weder bei Penicillium simplicissimum noch bei einem anderen myzelbildenden Pilz im Detail untersucht. Bisher liegen nur indirekte Ergebnisse vor, da nur intakte Hyphen für die Untersuchungen verwendet wurden. Aus diesem Grund ist diese Frage immer noch ein ungelöstes Problem, nicht nur für Penicillium simplicissimum, sondern auch generall in der Pilzphysiologie, da die Ausscheidung organischer Säuren ein häufig auftretendes Phänomen bei myzelbildenden Pilzen ist. Um die Art und Energetik des Citrattransportes untersuchen zu können müssen Plasmamembran-Vesikel verwendet werden. Nur mit Hilfe von Membranvesikel können eindeutige Aussagen über die Art und Energetik dieses Transportes gewonnen werden. Daher ist es unser Ziel in diesem Projekt zum ersten Mal bei dem myzelbildenen Pilz Penicillium simplicissimum diesen Transport mit Hilfe von Plasmamembran-Vesikel zu untersuchen. Wir verwenden Penicillium simplicissimum aus zwei Gründen. Einerseits weil wir den biohydrometallurgischen Laugungsprozess mit diesem Pilz verbessern wollen. Und andererseits weil wir bereits viel Erfahrung mit diesem Pilz haben (unter anderen haben wir eine Methode zur Gewinnung von Plasmamembran-Vesikel erarbeitet). Wir erwarten einen zweifachen Nutzen aus diesem Projekt. Erstens kann ein Verständnis des Transportmechanismus dazu beitragen, die Citratausscheidung durch Penicillium simplicissimum zu steigern. Das ist notwendig, um diesen biohydrometallurgischen Laugungsprozess konkurrenzfähig gegenüber traditionellen Verfahren zu machen. Zweitens kann ein Verständnis des Transportmechanismus in Penicillium simplicissimum Hinweise darauf geben, wie Citrat in anderen Pilzen transportiert wird, unter anderem in Aspergillus niger, der für die biotechnologische Produktion von Citrat eingesetzt wird.

Das wichtigste Ergebnis dieses Projektes ist eine verbesserte Methode zur Reinigung von Plasmamembranen aus sogenannten "filamentösen" Pilzen. Warum ist das wichtig? "Filamentöse" Pilze - ein umgangssprachlicher Begriff für Pilze ohne sexuelle Vermehrungsstadien - haben eine einzigartige Lebensweise, die sie deutlich von Pflanzen und Tieren unterscheidet. Diese Pilze spielen eine Schlüsselrolle in der Forst- und Landwirtschaft, sowie für die menschliche Ernährung und Gesundheit, und sind unverzichtbare Modellorganismen in der biologischen Grundlagenforschung. Die Auswirkungen dieser Pilze auf ökologische Prozesse and menschliche Gesellschaften können kaum überschätzt werden. Zudem werden viele Pilze aus dieser Gruppe in biotechnologischen Verfahren eingesetzt, zum Beispiel zur Produktion von Zitronensäure und Enzymen. Die Plasmamembran ist die wichtigste Barriere zwischen dem Inneren einer Zelle und ihrer Umgebung. Proteine, die in die Plasmamembran eingebettet sind, regulieren die Aufnahme von Nährstoffen und die Ausscheidung von Abfallprodukten des Stoffwechsels. Es gibt praktisch keine Funktion in der Zelle, die nicht in irgendeiner Art und Weise vom Transport von Substanzen durch die Plasmamembran abhängt. Die Untersuchung der Plasmamembran ist daher wichtig, um zu verstehen, wie eine Pilzzelle während des Wachstums oder bei der biotechnologischen Produktion eines Metaboliten funktioniert. Um die Plasmamembran untersuchen zu können, benötigt man eine reine Präparation dieser Membran, ohne Verunreinigungen durch andere Membran-Arten. Die Verbesserung einer solchen Reinigungsmethode war eines der Hauptergebnisse dieses Projektes. Unter Verwendung dieser verbesserten Reinigungsmethode begannen wir, die Ausscheidung von Zitronensäure durch den "filamentösen" Pilz Penicillium simplicissimum zu charakterisieren. Mittels der Zitronensäureausscheidung ist dieser Pilz in der Lage, Metalle aus festen Substraten herauszulösen - und damit zur (Wieder)Gewinnung von Metallen aus Industrieabfällen und Armerzen beizutragen.