Schwerpunkte3

Schwerpunkt der Forschungstätigkeiten

Im einzelnen werden die folgenden Projekte bearbeitet:

Biotechnologie: Molekulargenetik biotechnologisch relevanter Pilze

Hyphenpilze und Hefen werden als eukaryotische Mikroorganismen mit hohem Sicherheitspotential in unterschiedlichsten Verfahren biotechnologisch eingesetzt. Grundsätzlich können zwei Einsatzbereiche unterschieden werden:

  1. Die Produktion von Primär- und Sekundärmetaboliten aufgrund ihrer herausragenden Biosyntheseleistungen.
  2. Die Synthese von rekombinanten Proteinen mit posttranslationaler Modifikation (z. B. Glycosylierung).

In beiden Bereichen wird vermehrt auf transgene Pilze zurückgegriffen, um biotechnologische Prozesse und Verfahren zu optimieren. Ziele der Arbeiten mit biotechnologischen relevanten Pilzen sind:

  1. Die Entwicklung von Verfahren zur optimalen Konstruktion rekombinanter Stämme.
  2. Die Analyse der Genregulation, um die pilzliche Biosynthese gezielt qualitativ oder quantitativ zu verändern. Zu diesen Methoden zählt auch das als "Metabolic engeneering" bezeichnete Verfahren.

Am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik werden verschiedene Ansätze verfolgt, um die genannten Ziele zu erreichen. Im folgenden werden die Arbeiten in diesem Bereich näher beschrieben:

1. Verfahrensentwicklungen

In der Molekulargenetik erfolgt die Analyse der Genfunktion oft durch die Konstruktion von so genannten "knock-out", "knock-in" und "knock-down" Stämmen. Dazu wurden am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik Stämme entwickelt, die eine effiziente Ausschaltung von Genen erlauben. In diesen Stämmen ist eine essentielle Komponente des nicht-homologen Rekombinationssystems der Hyphenpilze deletiert, wodurch eine signifikant erhöhte, homologe Rekombinationsrate erreicht wird. Diese ermöglicht das sequenzgenaue Ausschalten von Genen zur Erzeugung eines Knockout-Stammes. (Abb. 1)

Alternativ werden RNAi ("RNA interference") -Systeme entwickelt, um die Genexpression auf transkriptioneller Ebene zu modifizieren, um "knock-down" Stämme zu generieren. Bei diesen Stämmen wird das Zielgen nicht deletiert, sondern lediglich seine Expression deutlich reduziert. Dieses Verfahren ermöglicht es beispielsweise auch bei essentiellen Genen eine funktionelle Analyse durchzuführen. Am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik wurde das System soweit optimiert, dass eine reduzierte Genexpression direkt mit Hilfe eines Reportergens (DsRed) visuell ersichtlich ist. (Abb. 2)

2. Regulation der Genexpression

Nicht-ribosomale Peptidsynthetasen und Polyketidsynthetasen kommen typischerweise in vielen Pilzen vor und sind an der Synthese von Molekülen mit biotechnologischer Relevanz beteiligt. Beispiele sind die Peptidderivate Cephalosporin C und Penicillin mit antibiotischer Wirkung, das antimykotisch wirksame Mulundocandin und das als Immunosuppressivum eingesetzte zyklische Peptid Cyclosporin A. Aflatoxine hingegen sind Beispiele für Polyketidderivate, die als Mykotoxine eine pharmakologische Relevanz besitzen.
Die Biosynthese dieser Sekundärmetaboliten wird durch die Regulation der Genexpression in allen Pilzen gesteuert. Beteiligt daran sind u.a. trans-wirkende Faktoren, die sich aufgrund verschiedener physiologischer Parameter aktivierend oder reprimierend auf die Genexpression auswirken. Am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik werden vielfach Faktoren identifiziert, die die Biosynthese von Sekundärmetaboliten regeln und daher relevant für die gezielte Stammoptimierung sind. Molekular- und zellbiologische Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass die oben erwähnten Faktoren global wirken und deshalb auch auf die pilzliche Morphogenese Einfluss besitzen. Dies wiederum ist ein entscheidender Aspekt bei der stabilen Fermentation von pilzlichen Mikroorganismen. (Abb. 3)

Experimentalsysteme

Pilze, die vorrangig am Lehrstuhl für Allgemeine und Molekulare Botanik experimentell genutzt werden:

  1. der Cephalosporin C-Produzent Acremonium chrysogenum
  2. der Penicillin-Produzent Penicillium chrysogenum
  3. der Mulundocandin-Produzent Aspergillus sydowii
  4. der Cyclosporin A-Produzent Tolypocladium inflatum
  5. der Produzent rekombinanter Proteine Sordaria macrospora