Aspergillus nidulans: Biorohstoff für grüne Biotechnologie

Zellulose ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer der Welt und hat grosse wirtschaftliche Bedeutung. Zellulose ist Hauptbestandteil von Baumwolle und Holz, welche auch den Hauptanteil an Zellulose-produkten darstellen. Zusammen mit Lignin, Strukturproteinen und anderen, nicht zellulose-basierten Polysacchariden wie Pektinen, Xyloglukanen und Xylanen, bildet Zellulose ein komplexes Netzwerk, welches durch viele Querverbindungen verstärkt wird. Dieses Netzwerk beinhaltet eine Vielzahl verschiedenster mechanischer Voraussetzungen für das pflanzliche Lebens und seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen bester synthetischer Materialien. Diese Eigenschaften werden in den verschiedenen Produkten wie Papier, Textilien und Baumaterial ausgenutzt. Neben diesem traditionellen Sektor besteht grosses Potenzial darin, kohlenhydrat-basierte Materialen durch Metabolic engineering von Pflanzen zu entwickeln, die Umweltfreundlichkeit and Biokompatibilität mit hoher Leistung und gesteigerter Funktionalität kombinieren. Die Möglichkeit, Eigenschaften von natürlichen Biopolymeren miteinander zu verknüpfen, führt zu neuen Mischungen mit verbesserten Eigenschaften, die in Folge eventuell für biotechnologische Anwendungen verwendet werden können. Ein symbolisches Beispiel hierfür ist die Einführung des pilzlichen Chitinbiosynthese-wegs in Pflanzen: Chitin kommt natürlich nicht in Pflanzen vor, aber die Einführung von Chitin oder seiner teilweise deacetylierten Form (Chitosan) würde interessante Eigenschaften, die in den verschiedensten industriellen Gebieten genutzt werden können, mit sich bringen. Die Synthese von Chitin würde zum Beispiel die Zugfestigkeit der Pflanze steigern, was einen bedeutenden Schritt in der Resistenz von Getreide gegen Windbruch darstellt. Des weiteren ist bekannt, dass die Behandlung von Pflanzengewebe mit Chitin oder Chitosan anti-pilzliche und antivirale Abwehrmechanismen auslöst, welche die Pflanze vor der weiteren Ausbreitung des Pathogens schützt. Daher wäre es möglich, Pflanzen mit gesteigerter Resistenz gegenüber Pathogen-attacken zu schaffen, indem man Schlüsselenzyme, die in die Chitinbiosynthese involviert sind, in die Pflanze einführt. In weiterer Folge kann diese Technologie auf Bäume übertragen werden und stellt somit ein wertvolles Mittel für die Forstindustrie dar, die ja eine wichtiger Exportzweig für Österreich ist. In Anbetracht der Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten von Zellulose, wird hier vorgeschlagen, die Gene, die in der Zellwandbiosynthese des filamentösen Pilzes Aspergillus nidulans involviert sind, als Bioresource für das metabolic engineering von Pflanzen zu nutzen. Für diesen Zweck wollen wir: - Die Rolle von einigen schlecht oder nicht-charaketrisierten Glycosyltransferasen (GTs), die für die Zellwandbiosynthese in A. nidulans verantwortlich sind, enthüllen, indem wir einerseits Überexpression und einen reversen genetischen Ansatz versuchen (z.B.: Gen-knockdowns und knockouts). - Die Gene der Chitin synthase (Chs) und der Oxalacetat Acetylhydrolase (Oah) von A. nidulans in den Modellorganismus Arabidopsis thaliana einführen, um Pflanzen mit veränderter Zellwandzusammensetzung zu schaffen und möglicherweise veränderte Eigenschaften der chemo-physikalischen Oberfläche zu erzielen, die die Resistenz gegenüber biotischem Stress steigert und neue Biomaterialien schafft. Durch Lernen von der Natur wird dieses Projekt die Basis für die Entwicklung von biomimetischen Materialien, die Umweltfreundlichkeit und Biokompatibilität mit einer gesteigerten Leistung und Funktionalität kombinieren, legen. In Zukunft wird dieses Wissen die Entwicklung von signifikanten Anwendungen, die auf pflanzlicher Biomasse basieren, erleichtern. Das vorliegende Projekt zeigt das Potenzial einer Neuorientierung des pflanzlichen Metabolismus hin zur Biosynthese von neuen Polysacchariden, die zu verbesserten Eigenschaften von Zellulosefasern führen kann.