Regulation des "Overflow"-Stoffwechsels in Penicillium

Myzelbildende Pilze haben große ökologische, biotechnologische, landwirtschaftliche und medizinische Bedeutung. Die Physiologie dieser Pilze ist jedoch vielfach noch wenig verstanden. Ein Ansatz zu einem besseren Verständnis ist die Gewinnung zeitlich hoch aufgelöster, quantitativer Daten über die dynamischen Wechselwirkungen verschiedener Ebenen des Energiestoffwechsels. Das ist jedoch mit diesen Pilzen besonders schwierig wegen ihrer ausgeprägten umwelt-sensitiven, phänotypischen Plastizität (das ist die schnelle Änderung der Zusammensetzung, der Morphologie und der Physiologie, wenn sich die Umweltbedingungen ändern). Um diese phänotypische Plastizität verfolgen zu können, bedarf es einer umfassenden Standardisierung der Kultivierungsbedingungen. Unser Ziel ist, simultan Daten von fünf Ebenen des Energiestoffwechsels zu gewinnen: "overflow"-Stoffwechsel (Ausscheidung organischer Säuren), der Plasmamembran (der Membrantransport ist ein Hauptenergieverbraucher in der Zelle), sowie der Energieladung, des Redoxstatus und der Atmung. Der dafür notwendige hohe Grad an Standardisierung der Kultivierungsbedingungen wird einerseits erreicht durch Kultivierung im Chemostat, andererseits durch automatisierte, zeitlich hoch aufgelöste Aufzeichnung von Kulturparametern. Wir verwenden dazu unseren Modell-Pilz Penicillium ochrochloron, einen schwermetalltoleranten Bodenpilz, der für die Metallgewinnung aus Industrieabfällen und Armerzen eingesetzt werden kann. Die Dynamik dieser Ebenen des Energiestoffwechsels wird in drei Situationen untersucht: bei verschiedenen Nährstofflimitierungen im Chemostat, kurz nach der Aufhebung einer Nährstofflimitierung, und kurz nach dem Einsetzen einer Nährstofflimitierung. Über dieses Projekt hinaus ist die Standardisierung der Wachstumsphasenbestimmung von Nutzen für die Proteomik und Metabolomik mit myzelbildenden Pilzen. Dieser systembiologische Ansatz kann außerdem dazu dienen, die Vorhersage des Verhaltens dieser Pilze bei sich ändernden Umweltbedingungen zu verbessern. Das ist von speziellem Interesse für biotechnologische und medizinische Anwendungen. Drei nationale und zwei internationale Partner werden an der Lösung dieser Aufgabe mitwirken: Prof. Markus Ganzera (Institut für Pharmazie, Innsbruck), Prof. Andrey Kuznetsov (Daniel Swarovski Forschungslabor, Innsbruck), Prof. Günther Daum (Institut für Biochemie, Graz), sowie Prof. Christer Larsson (Center for Molecular Protein Science, Lund, Schweden) und Prof. Nestor Torres (Institut für Biochemie und Molekularbiologie, La Laguna, Teneriffa, Spanien).

An einem Modellorganismus für filamentöse Pilze dem Schwermetall resistenten Bodenpilz Penicillium ochrochloron, einem nahen Verwandten des Penicillin-Produzenten Penicillium chrysogenum wurde erstens gezeigt, dass Anpassungen des Stoffwechsels an Umwelt- bzw. Wachstumsbedingungen spezifisch für die Art der Nährstofflimitierung und die Wachstumsphase sind. Es wurde zweitens nachgewiesen, dass Methoden zur physiologischen Analyse bzw. in der Folge auch für systembiologische Untersuchungen (z. B. Probennahme, Stopp des Metabolismus, Probenaufarbeitung, Extraktion von Metaboliten, Analytik) viel stärker an die jeweiligen physiologischen Bedingungen bzw. den physiologischen Zustand adaptiert werden müssen als bisher angenommen um zu reproduzierbaren und sinnvollen Aussagen zu gelangen. Und drittens wurden erstmals für einen filamentösen Pilz Daten zur Verknüpfung von vier Ebenen des Energiestoffwechsels erarbeitet. Diese Erkenntnisse sind sowohl für das Verständnis von Ökosystemen in denen Pilze leben, als auch vor allem für biotechnologische Prozesse mit filamentösen Pilzen von Bedeutung.Filamentöse Pilze, also z. B. Schimmelpilze, müssen ihren Stoffwechsel sowohl in der Natur als auch in biotechnologischen Prozessen stark unterschiedlichen bzw. sich rasch ändernden Umweltbedingungen anpassen (anders als tierische Zellen, die in einem konstanten Milieu leben). Welche Strategien Pilzzellen (Hyphen) bei der Verwertung des Hauptnährstoffes Glukose dabei anwenden war das Kernthema dieses Projektes. Die aus Glukose gewonnene Energiemenge muss an die zur Verfügung stehende Menge anderer Nährstoffe angepasst werden. Je nachdem welcher andere Nährstoff das Wachstum begrenzt, erfolgt diese Anpassung auf verschiedenen Ebenen des Stoffwechsels und mit verschiedenen Mechanismen. Untersucht wurden die Atmungsrate (Sauerstoffverbrauch), die Umwandlungsrate in die zelluläre Energiewährung ATP, die Aktivität des hauptenergieverbrauchenden Enzyms in der Zellmembran, und die Ausscheidung von Stoffwechselzwischenprodukten, die eine Art Sicherheitsventil darstellt, wenn Glukose im Überschuss vorhanden ist, das Wachstum aber durch den Mangel eines oder mehrerer anderer Nährstoffe begrenzt ist.Ohne filamentöse Pilze würden die meisten Ökosysteme unserer Erde nicht funktionieren von Böden bis zu Ozeanen, von den Tropen bis zu den arktischen Gebieten. In der Biotechnologie dienen bestimmte Arten dieser Pilze als Quelle und Zellfabriken zur Herstellung von Enzymen, vielseitig nutzbaren Substanzen wie z. B. Zitronensäure, und von medizinisch relevanten Substanzen wie z. B. Antibiotika. Andererseits richten einige dieser Pilze auch große Schäden an, indem sie landwirtschaftliche Kulturen schädigen und Ernten unbrauchbar machen. Die Ergebnisse dieses Projektes sind ein Beitrag zu einem tieferen Verständnis des Energiestoffwechsels dieser eminent wichtigen Organismengruppe, die zu einer nachhaltigeren Lebensweise von uns Menschen einiges anzubieten hat.