Von extremophilen Pilzen lernen: Studien der Proteinzusammen

Unter lebensbedrohlichen Bedingungen sind Anpassung und Stressresistenz absolut notwendige Voraussetzungen für das Überleben von Lebewesen. Schwarze Pilze, deren charakteristisches Merkmal die durch Melanin gegebene dunkle Pigmentierung ist, sind an besonders harte Lebensbedingungen perfekt angepasst und gelten derzeit als die stress resistentesten Eukaryonten. Daher sind diese Pilze auch geeignete Modelle für die Untersuchung von Stresstoleranz in extremen Habitaten. Im vorliegenden Projekt werden zwei Stämme eines extremotoleranten Pilzes der Wildtyp Knufia chersonesos und eine natürliche, nicht-melaninisierte Mutante des Pilzes - als Modellorganismen verwendet: mit Methoden der Proteomic (Proteinanalyse) soll untersucht werden welche zellulären Prozesse hinter der enormen Toleranz gegen hohe Ozonwerte stehen und welche Proteine eine Schlüsselrolle dabei spielen. Beide Pilzstämme tolerieren eine bemerkenswert hohe Konzentration an Ozon, die für Pflanzen und Tiere bereits toxisch ist. Die Daten aus den Versuchen sind eine wesentliche Basis für das Verständnis von oxidativem Stress in Zellen in Bezug auf unterschiedliche Umwelteinflüsse aber auch in Bezug auf Krankheitserreger. Ein weiteres Ziel des Projektes im Zusammenhang mit zellschützenden Eigenschaften der Proteine, die unter Ozonstress ihre Funktionen aufrecht erhalten, ist deren mögliche biotechnologische und kosmetische Anwendung. Im Projekt werden daher Tests zur Stabilität und Funktion der Enzyme durchgeführt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf Enzymen, die fähig sind den Biokunststoff Ecoflex abzubauen. Um die Ozonresistenz und die Fähigkeit zum Abbaus des Biokunststoffes zu testen werden die Pilze in Flüssigkulturen angezüchtet und die Proteinstrukturen der Proben werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten untersucht. Diese Untersuchungen erfolgen mit modernen biochemischen und molekularbiologischen Methoden: der so genannten Massenspektroskopie und einer weiteren für die Proteinanalyse geeigneten Methode, der shotgun-Analyse. In Zusammenarbeit mit mehreren weltweit führenden Arbeitsgruppen auf dem Gebiet der Proteinanalyse kommen erstmalig die modernsten Analysemethoden an schwarzen Pilzen zum Einsatz. Dadurch kann nicht nur das Leben dieser schwarzen Pilze unter Stressbedingungen besser verstanden werden, die Ergebnisse können auch eine wesentliche Basis für die zukünftige Anwendung in biotechnologischen Prozessen oder, zum Beispiel als Hautschutz, für die Kosmetikindustrie legen.

Das Ziel dieses Projekts war es, ein tieferes Verständnis der Ökologie von pilzlichen Extremophilen zu erlangen, indem die Mechanismen, die für ihre Stresstoleranz verantwortlich sind, beleuchtet werden, sowie die Suche nach neuen Enzymen und Verbindungen mit potenziellen biotechnologischen Anwendungen. Das Projekt bestand aus drei Hauptforschungslinien, die sich um den Steinpilz Knufia chersonesos (syn. K. petricola) drehten, der als Modellorganismus verwendet wurde: 1_ Screening von Enzymen, die am Abbau synthetischer Polymere beteiligt sind; 2_ Untersuchung der Stresstoleranz und der Grenzen des Lebens: Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Ökophysiologie von Pilzen und 3_ Untersuchung der oxidativen Stressantwort. Ein systembiologischer Ansatz, der größtenteils Shot-Gun-Proteomics beinhaltet, wurde angewandt, um qualitative und quantitative Veränderungen in den Proteinhäufigkeitsverhältnissen bei Stresssimulation und Kontrollbedingungen zu erkennen, mit dem letztendlichen Ziel, Kandidatenproteine mit Schlüsselrollen beim Polymerabbau und Stressüberleben zu identifizieren. Bioinformatik-Analysen wurden durchgeführt, um Informationen über Protein-Identitäten und -Funktionalitäten zu gewinnen. Da es sich bei K. chersonesos um einen aufstrebenden Modellorganismus handelt, musste vor dem Proteomscreening eine Ganzgenomsequenzierung und eine homologiebasierte Genomab initio Translation durchgeführt werden. Die Datensätze wurden in den öffentlichen Online-Datenbanken NCBI bzw. ProteomeXchange hinterlegt. Dieses Projekt hat durch die Untersuchung der Mechanismen der Stressanpassung auf Proteomebene einen Beitrag zur Erweiterung des Wissens über die Physiologie und Systembiologie von Schwarzpilzen geleistet. Darüber hinaus hat das Screening des Pilzsekretoms zum ersten Mal die Fähigkeit von K. chersonesos hervorgehoben, synthetisches polymeres Material (d.h. PBAT) mittels extrazellulärer Enzyme von potentiellem biotechnologischem Nutzen abzubauen. Diese Forschung hat zur Identifizierung von Proteinkandidaten geführt, die durch biochemische Charakterisierung weiter untersucht werden sollen, was zu einem tieferen Verständnis der Proteinanpassungen und -funktionalitäten im Hinblick auf ihre Anwendung beitragen wird. Die Untersuchung der Reaktion des Pilzes auf Mikrogravitationsbedingungen hat andererseits einen tieferen Einblick in die Evolution der Extremophilie und die Grenzen des Lebens jenseits des Planeten Erde ermöglicht. Das Projekt hat sich daher als relevant für Forschungsbereiche wie die Astrobiologie, aber auch für die Biotechnologie und Mikrobiologie erwiesen. Darüber hinaus wird die Entwicklung von experimentellen Abläufen und Methoden für die Pilzkultivierung (z. B. bei Exposition gegenüber Polymeren, Mikrogravitation und Ozon) den Weg für weitere ähnliche Studien ebnen.