Forschung

Forschungskontext: Lytische Polysaccharid-Monooxygenasen (LPMOs) sind leistungsstarke Enzyme, die glykosidische Bindungen in Polysacchariden oxidativ spalten und so die Aktivität bekannter hydrolytischer Depolymerisationsenzyme steigern. An diesem Prozess sind molekularer Sauerstoff/Wasserstoffperoxid und ein Elektronendonor beteiligt, beispielsweise Enzyme der GMC-Oxidoreduktase-Familie (z. B. Cellobiose-Dehydrogenase), kleinmolekulare Reduktionsmittel oder photoaktive Pigmente. Clonostachys rosea (Hypocreales, Ascomycota) ist ein filamentöser Pilz, der lebende Pflanzen als Endophyt besiedelt und andere Pilze parasitiert und tötet (nekrotropher Mykoparasit). Bei der Sequenzierung der C. rosea-Genome wurde festgestellt, dass die Genfamilie, die LPMOs (AA9) kodiert, sowie die GMC-Oxidoreduktase-Familie (AA3) deutlich erweitert sind. Im Gegensatz dazu weisen die Genome der saprotrophen und mykoparasitären Trichoderma-Arten (ökologisch sehr ähnlich zu C. rosea) eine deutlich geringere Anzahl von AA9- und AA3-Genen auf. Forschungsziele: Wir wollen die katalytischen Aktivitäten und Substratspezifitäten der neuartigen LPMOs von C. rosea aufklären, neue Struktur-Funktions-Aspekte in Kombination mit biochemischen Charakterisierungen identifizieren und ihre Synergien mit anderen nativen Enzymen von C. rosea, wie z. B. GMC-Oxidoreduktasen, untersuchen.

Die Mittel der dritten BiMM-Förderperiode sollen für den Abschluss der laufenden Arbeiten auf dem Gebiet der neuen bioaktiven Substanzen sowie für die Etablierung eines Insekten-Screening-Verfahrens und für „explorative Forschung“ verwendet werden, die dann als Grundlage für weitere Forschungsanträge bei anderen Fonds dienen sollen. Der Forschungsplan enthält einen „offenen Teil“ für die Themen ‚Insektenscreening‘ und „explorative Arbeiten“ sowie eine Reihe von Arbeitspaketen zur detaillierteren Charakterisierung der 5 Kandidaten für neue bioaktive Substanzen. Einer von ihnen ist BiMM20 (Bimmycin), das aus einer neuen Pilzart stammt, die in einem BiMM-Projekt isoliert wurde und bereits gut charakterisiert ist. Es hat eine fungizide Wirkung. Eines der vier anderen Moleküle hat eine antibakterielle Wirkung gegen Gram+ Organismen; hier wird weiter an der Wirkungsweise geforscht. Ein weiteres Molekül kann die Resistenz von Bakterien gegen Chloramphenicol brechen und so die Empfindlichkeit gegenüber diesem wichtigen Antibiotikum wiederherstellen. Ein weiteres Molekül aus einer neuen, bisher unbeschriebenen Pilzart aus der BiMM-eigenen Sammlung hat eine starke phytotoxische Wirkung. Die Identität dieses Moleküls und seine Eigenschaften werden ebenfalls in diesem BiMM-III-Projekt ermittelt. Das letzte der fünf neuen Moleküle wurde bereits in Zusammenarbeit mit der FH IMC Krems getestet und als entzündungshemmend eingestuft. Zur Finanzierung der weiteren Charakterisierung in Richtung medizinischer Anwendung werden auch Mittel aus dem BiMM-III-Projekt benötigt. Neben den spezifischen Studien zu den neuen Metaboliten und ihren Aktivitäten sollen die Mittel auch für explorative Forschung verwendet werden, die neue Screening-Systeme innerhalb von BiMM etablieren soll. Dazu gehört zum Beispiel die Möglichkeit, Extrakte und Moleküle mit höherem Durchsatz auf ihre insektizide Wirkung zu testen.

Ein zentraler Schalter in der Giftproduktion von Schimmelpilzen. Schimmelpilze spielen auf unserem Planeten eine Vielzahl ökologischer Rollen, insbesondere in natürlichen Nährstoffkreisläufen und als Krankheitserreger von Pflanzen und Tieren. Von besonderem Interesse ist ihre Fähigkeit, eine Vielzahl kleiner, bioaktiver Moleküle zu produzieren. Ein Beispiel für ein sehr nützliches Molekül ist das Antibiotikum Penicillin, das bis heute Millionen von Leben gerettet hat. Aber es gibt auch gefährliche Moleküle, wie z. B. von Schimmelpilzen produzierte Gifte, die sich in Lebensmitteln anreichern und damit die Gesundheit der Verbraucher gefährden können. Das generelle Ziel muss also sein, die molekularen und zellulären Programme dieser Pilze genau zu verstehen und so natürliche Lösungen gegen Pilzinfektionen zu entwickeln. Unsere bisherige Forschung hat gezeigt, dass epigenetische Prozesse die Toxinproduktion regulieren, aber auch eine bestimmte Kinase - ein regulatorisches Protein, das andere Proteine in seiner Umgebung chemisch verändern kann - spielt eine entscheidende Rolle. Auf bisher unbekannte Weise ist es in der Lage, in der Zelle ein Hungersignal zu senden, das letztlich zu einer vollständigen Veränderung des zellulären Stoffwechsels führt und damit die genetische Maschinerie zur Toxinbildung aktiviert. In diesem Projekt gehen wir nun der Frage nach, wie genau das Hungersignal in der Pilzzelle verarbeitet wird, damit Mykotoxine gebildet werden. Dazu verwenden wir als Versuchssysteme einen herkömmlichen Schimmelpilz, der in der Natur und in Gebäuden ubiquitär vorkommt (Aspergillus), und einen Pilz, der weltweit als einer der wichtigsten Krankheitserreger bei Nutzpflanzen gilt (Fusarium). Die gesamte genetische Reaktion der beiden Pilze auf RNA- und Proteinebene wird in verschiedenen Stadien ihres Lebenszyklus molekularbiologisch, biochemisch und bioinformatisch analysiert. Darüber hinaus sollen diejenigen Proteine identifiziert werden, deren Funktion durch die Kinase reguliert wird. Auf diese Weise soll der Signalweg vom Nährstoffmangel an der Zelloberfläche bis zur genetischen Aktivierung der Toxinproduktion bei zwei verschiedenen Schimmelpilzen möglichst vollständig aufgeklärt werden. Letztlich könnten die Ergebnisse dieser Forschung eine Lücke im grundlegenden Verständnis der zellulären Prozesse bei der Toxinproduktion in Schimmelpilzen schließen. Dieses Wissen kann dann für die Entwicklung neuer natürlicher Bekämpfungsstrategien zur Abwehr von Pflanzenkrankheiten und zur Vermeidung biologischer Kontaminationen von Lebensmitteln genutzt werden.