Forschung

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.

Zusammenfassung der geplanten Untersuchungen und der Relevanz der Signalübertragung bei der Nitratverwertung bei Bodenpilzen Ökologisch gesehen spielt Nitrat (NO3-) eine zentrale Rolle im globalen Stickstoffkreislauf denn es ist ein stabiles Endprodukt des biologischen Mineralisierungsprozesses und die wichtigste Nährstoffquelle von Pflanzen und Algen. Allerdings verursachen Auswaschungen von Nitrat aus intensiven landwirtschaftlichen Produktionssystemen in Binnengewässer, Meere und in das lokale Grundwasser auch große ökologische Probleme und ökonomische Verluste. Pilze sind eine der wesentlichsten Bestandteile der globalen Nährstoffkreisläufe des Bodens und sie können Nitrat durch Umwandlung in Pilzbiomasse vorübergehend im Boden speichern (sogenannte Nitratassimilation), sofern dort genug verwertbarer Kohlenstoff zur Verfügung steht. Pilze tragen daher wesentlich zur Vermeidung von Stickstoffverlusten in Böden bei. Die Umwandlung von Nitrat in Pilzbiomasse ist generell bereits gut untersucht, allerdings ist noch nicht klar, welche zellulären Signale für die Aktivierung des entsprechenden genetischen Netzwerkes verantwortlich sind, die im Endeffekt den Assimilationsprozess von Nitrat zu Biomasse steuern. Basierend auf unseren bisherigen Daten stellen wir für dieses Projekt die Arbeitshypothese auf, dass ein zentraler Regulator (der Transkriptionsfaktor NirA) durch direkte allosterische Effekte von Nitrat aktiviert wird und nicht - wie in Pflanzen oder Bakterien - durch einen indirekten Signalübertragungsweg, an dem Nitrat-Transporter oder Rezeptoren beteiligt sind. In dem vorliegenden Projektantrag werden genetische, molekulargenetische und biochemische Experimente vorgeschlagen, welche die Signalübertragungs-Frage bei der Nitratumwandlung in einem typischen Bodenpilz (Aspergills nidulans) klären sollten. Es ist eine internationale Kooperation mit Prof. Papageorgiou vom Turku Bioscience Centre in Finnland geplant, die auf Strukturaufklärung von Proteinen spezialisiert ist und diese Methoden an einem regulatorischen Protein der Nitratverwertung anwenden sollte. Die Ergebnisse des Projekts werden sowohl grundlagenwissenschaftliche als auch anwendungsorientierte Relevanz haben. Einerseits wird unser Verständnis der ökologischen Funktion von Pilzen bei der Umwandlung von Nitrat zu Biomasse verbessert und andererseits kann dies dazu beitragen, Nitratprobleme bei der Gewässerverunreinigung zu verringern. Außerdem wird bei der damit verbundenen Reduktion des Stickstoff-Verlustes aus dem Boden die Stickstoffbilanz und damit die Nachhaltigkeit und die Wirtschaftlichkeit der landwirtschaftlichen Produktion verbessert.

Wegen Stilllegung des Gebäudes aufgrund der Übersiedelung an einen anderen Standort gibt es zur Zeit die sehr seltene Gelegenheit der Messung in einem stillgelegten Büro/Laborgebäude der AUVA. Solche Räumlichkeiten bieten nämlich die Gelegenheit, um in Räumen den Anteil an abgelagerten Schimmelzellen, die nur bei starker Benutzung oder beim Lüften in die Atemluft gelangen, durch die Anwendung von kontrollierter Ventilation bestimmen zu können. Nachdem nicht nur lebensfähige, sondern auch abgestorbene Schimmelzellen Beschwerden auslösen können (Allergien, Reizungen der Schleimhäute und Atemwege), werden unterschiedliche, für diese Fragestellung geeignete, unterschiedliche Methoden der Erfassung verwendet.