PiNet, ein Sparkling Science Projekt
Schimmelpilze gehörten zu den ersten multizellulären Organismen auf unserem Planeten und ihre Zellverbände müssen Umweltinformationen, die auf einige ihrer Zellen einwirken, innerhalb des Netzwerkes weiterleiten. Zellgemeinschaften von Schimmelpilzen bestehen aus einer riesigen Matrix von zusammenhängenden Zellen (Pilzkolonie oder „Myzel“), die über Poren-Kanäle miteinander verbunden sind. Das Projekt stellte folgende Fragen: Wie kommunizieren diese Zellen untereinander und mit ihrer Umwelt? Wie leiten sie Umweltsignale weiter und können sie Erfahrungen epigenetisch "speichern"? Das Projektteam hat diese Fragen mit sogenannten „Reporter-Stämmen“ bearbeitet. Das sind Zellen die sehr empfindlich auf spezielle Umweltsignale reagieren und diese Reaktionen können durch Fluoreszenz oder Biolumineszenz im Mikroskop beobachtet werden.
Das Projekt testete mit diesem System vor allem die Reaktion der "Reporter" auf andere Pilze und Bakterien und hier traten die Schülerinnen und Schüler auf den Plan: Sie sammelten in ihrer Umgebung mit Unterstützung eines Staubsauger-Filteraufsatzes tausende andere Mikroben, die mit Hilfe von Laborrobotern mit den "Reportern" konfrontiert werden. Die hohe Probenzahl stellt eine wertvolle Basis für weitere molekulare Untersuchungen dar.
Die Signalweitergabe innerhalb des Myzels wurde durch ein etabliertes Interaktionsmodell zwischen dem Schimmelpilz Aspergillus nidulans und dem Bakterium Streptomyces rapamycinicus mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht. In diesem Fall wurde keine Weiterleitung beobachtet, die sichtbare, Metabolit-bedingte schwarzbraune Färbung trat stets lokal auf, ebenso die Fluoreszenz des Reporters. Desweiteren wurde der vom Bakterium stammenden Auslöser dieser Färbung aufgeklärt. Das Erinnerungsvermögen wurde in einem zweiten System getestet, dem Hungerzustand des Pilzes. Dadurch können alle Zellen im Myzel „synchronisiert“ werden und für den Hunger spezifische Metabolite gemessen werden. Es zeigte sich, dass sich der Pilz an das Hungersignal erinnert, und beim erneuten Auftreten schneller und stärker darauf reagiert. Dabei handelt es sich höchstwahrscheinlich um eine transkriptionelle Erinnerung, die sich von einer epigenetischen dahingehend unterscheidet, dass sie nicht auf Nachkommen vererbt wird.
Mikroben – also Bakterien oder Pilze - wachsen in der Natur in komplex zusammengesetzten, dynamischen Gemeinschaften, die sich je nach Umweltbedingungen und Nahrungsangebot ständig ändern. Und egal ob sie als Zersetzer von organischem Material tätig sind (saprophytisches Wachstum) oder als Krankheitserreger Tiere und Pflanzen befallen (pathogenes Wachstum), überall müssen sich die Mikroben gegen die allgegenwärtigen Nahrungs-Konkurrenten bzw. gegen die natürlichen Abwehrmechanismen der attackierten Organismen durchsetzen. Um das zu schaffen, setzen die meisten Mikroorganismen ein breites Arsenal an bioaktiven Substanzen ein, die das Wachstum von Konkurrenten unterdrücken können – z.B. pilzliche Antibiotika die gegen Bakterien wirken (z.B. Penicillin), oder bakterielle Toxine, die gegen Pilze gerichtet sind (z.B.Lipopeptide, Surfaktine).
Neue Forschungsergebnisse – an deren Erarbeitung und Publikation unsere Gruppe wesentlich beteiligt war – haben eindeutig belegt, dass die meisten bioaktiven Stoffe von Mikroben erst bei Kontakt mit ihren Konkurrenten oder „Opfern“ gebildet werden. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass die klassische mikrobiologische Forschung, die traditionell mit Einzelkulturen und nicht mit Gemeinschaften im Labor gearbeitet hat, nur einen Bruchteil des komplexen Gemisches aus bioaktiven Stoffen identifizieren konnte.
Reise ins Innere einer Zelle
Im Rahmen des PiNet Projekts wurde als Teil der PiNet-Wanderausstellung eine 3D-Animation einer Pilzzelle geschaffen. Diese Animation wurde in eine "Virtuelle Realität" übernommen und bietet dort einen aussergewöhnlichen Einblick in das Innere einer Zelle. Diese "Reise in eine Pilzzelle" kann mittels VR-Brille unternommen werden und zeigt uns eine faszinierende Welt.
Partnerschule:
Francisco Josephinum
Höhere Bundeslehr- und Forschungsanstalt für Landwirtschaft, Landtechnik und Lebensmitteltechnologie
3250 Wieselburg, Schloss Weinzierl 1 www.josephinum.at
PiNet "Das Internet der Pilze", ein Projekt durchgeführt im Rahmen des Förderprogramms Sparkling Science, gefördert vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung. www.sparklingscience.at www.bmbwf.gv.at