L-Xylulose Reduktasen aus Pilzen

Eine große Anzahl filamentöser Pilze wächst auf totem oder verrottendem Pflanzenmaterial und trägt so zu einer schnellen Umsetzung von Lignin und verschiedenen Polysacchariden - wie Cellulose, Hemicellulose und Pektin - bei. Hemicellulosen und Pektine sind Heteropolysaccharide, die hauptsächlich aus Pentosen, Hexosen und Zuckersäuren bestehen. Ihre Primärstruktur ist Organismus spezifisch und kann sogar zwischen verschiedenen Geweben ein und derselben Pflanze variieren. Die Pentose L-Arabinose kommt sowohl in Hemicellulosen als auch Pektin vor. Ein L-Arabinose Abbauweg ist daher für viele Mikroorganismen, die auf totem Pflanzenmaterial wachsen, von Vorteil und hat auch einen Einfluss auf mikrobielle Fermentation in denen erneuerbare Rohstoff wie billige Pflanzenbiomasse verwendet werden, um sie entweder in wertvolle Feinchemikalien umzuwandeln oder daraus billige Enzyme zu produzieren. Pilze haben spezifische Abbbauweg für Pentosen wie L-Arabinose oder D-Xylose entwickelt. Die meisten für diesen Abbauweg verantwortlichen Gene wurden kloniert und funktionell charakterisiert. Das Enzym L-Xylulose Reductase katalysiert die dritte Stufe des fünfstufigen Prozesses, die Reduktion der L-Xylulose zum Xylitol. Ein für eine L-Xylulose Reductase kodierendes Gen wurde aus dem filamentösen Pilz Hypocrea jecorina (Anamorph: Trichoderma reesei) kloniert. Die Rolle diese Gens im L-Arabinose Stoffwechsel wurde durch ein paar Ergebnisse in Frage gestellt. Unsere Daten deuten eher darauf hin, dass es sich bei diesem Enzym um eine D-Mannitol 2- dehydrogenase handelt, die in Prozesse wie Sporulation oder Sporenkeimung involviert ist. Enzyme mit L- Xyluloseaktivität sind zusätzlich in eine Reihe anderer wichtiger metabolischer Prozesse involviert. Dazu gehören der D-Galactose Stoffwechsel und die Induktion der Zellulasen. In diesem Projekt sollen daher Enzyme mit L- Xylulosereduktaseaktivität in H. jecorina identifiziert und charakterisiert werden und ihre Rolle in den verschiedenen Stoffwechselwegen geklärt werden. Der filamentöse Pilz unserer Wahl ist Hypocrea jecorina, ein Organismus mit einer breiten biotechnologischen Anwendung im Bereich der Weißen Biotechnologie. Auf Grund seiner exzellenten Sekretionskapazitäten, werden von diesem Pilz produzierte Enzyme in den verschiedensten Industrie und Nahrungsmittelbereichen eingesetzt. Die Sequenzierung seines Genoms wurde abgeschlossen und bildet eine exzellente Basis für die weitere Forschung mit diesem Organismus.

Viele Pilze sind saprotrophe Organismen und spielen eine wichtige Rolle in unserem Ökosystem indem sie tote oder absterbende Organismen abbauen. Zahlreiche dieser Pilze sind speziell dazu adaptiert durch ein hochspezialisiertes Inventar von extrazellulären Enzymen die schwer abbaubaren Planzenzellwände zu ihren Monomeren zu zerlegen. Die Pilze können diese Abbauprodukte durch eine Vielzahl intrazellulärer metabolischer Abbauwege zu Energie und Kohlenstoff umwandeln, welches sie dann für ihr Wachstum und ihre Entwicklung nutzen können. Pflanzenbiomasse in Form dieser Planzenzellwände ist auch der größte nachwachsende Rohstoff und verschiedene Strategien werden heute entwickelt um Biofuels (Bioethanol) und andere Chemikalien von Pflanzenrohstoffen die von Bäumen oder Gräsern stammen zu produzieren. Die Zusammensetzung dieser Planzenzellwände von Bäumen und Gräsern ist komplex. Sie bestehen aus verschiedenen Polysacchariden hauptsächlich Zellulose, verschiedenen Hemizellulosen und Pektinen sowie dem Polymer Lignin. Um diese Rohstoffe alle vollständig umzuwandeln, wurde in letzte Zeit die Forschung in diesem Bereich intensiviert. Der Pentosezucker Arabinose kommt sowohl in Hemizellulose wie Pektin vor. Pilze produzieren eine Anzahl an extrazellulären Arabinanasen die dafür verantwortlich sind die Arabinose von diesen Pflanzenpolmeren abzulösen. Die Arabinose kann dann vom Pilz aufgenommen werden. Die meisten Komponenten dieses Arabinose Abbauweges wurden in Pilzen wie Trichoderma reesei bereits identifiziert. L-Xylulose Reductase (LXR) ist für den dritten Schritt in diesem 5-stufigen Abbauweg verantwortlich und wandelt L-Xylulose in Xylitol um. Unsere Forschung zeigte, dass das Enzym, von dem man bisher geglaubt hatte, dass es für den Abbau verantwortlich ist, gar nicht in diesem Prozess involviert ist, sondern in einem anderen metabolischen Weg und spezifisch während der Entwicklung des Pilzes in der Keimung und Sporulation gebildet wird. Mit Hilfe einer Genom weiten Transkriptionsanalyse konnte auch gezeigt werden, das Trichoderma reesei spezifisch an seine saprotrophe Lebensweise anpepasst ist, indem er während der Sporulation verschiedene extrazelluläre Enzyme produziert, die dann auf der Sporenoberfläche dafür sorgen, dass er polymere Substrate wie Zellulosen und Hemicellulosen abbauen kann. Im Laufe des Projektes wurden auch weitere L-Xylulose Reduktasen identifiziert, die im Arabinoseabbau involviert sind. Diese Gene können z.B. in die Hefe Saccharomyces cerevisiae eingebracht werdenum die Umwandlung von Pentosen zu Ethanol oder anderen Produkten zu verbessern.