Al-Toxität und Siderophorenproduktion

Al und Fe sind die dritt- bzw. viert-häufigsten Elemente in der Erdkruste. Unter Standardbedingungen (physiologischer pH-Bereich) ist deren Verfügbarkeit jedoch extrem niedrig, was angesichts der toxischen Eigenschaften des Al-Ions ein Glück, angesichts der Essenziellität von Fe für praktisch alle Lebewesen ein großes Handikap darstellt. Obwohl verschiedene Studien eindeutig Zusammenhängezwischen den Al- und Fe- Metabolismen nachweisen konnten, haben nur sehr wenige Untersuchungen (die ausnahmslos an Bakterien durchgeführt wurden) diese Hinweise aufgegriffen und auch Siderophore in die Arbeiten mit einbezogen. Das ist umso erstaunlicher als andere Studien - die sich mit strukturellen Aspekten von Siderophoren beschäftigten - häufig stabile Komplexe zwischen Siderophoren einerseits und Al (aber auch Ga, Cu und Mo) andererseits aufzeigen konnten. Obwohl eindeutige Hinweise auf die Zusammenhänge zwischen Al-Toxizität und Siderophorenproduktion existieren, liegt keine einzige Studie vor, die systematisch verschiedene Siderophorentypen untersuchte. Sowohl freilebende als auch in der Symbiose Mykorrhiza vergesellschaftete Pilze spielen eine zentrale Rolle in jedem Boden und sind häufig auch als potente Siderophorenproduzenten bekannt. Trotzdem fanden Pilze in den ohnehin wenigen Studien, die sich mit Siderophoren und nicht-Fe-Metallen beschäftigten, keine Beachtung. Dies wirft einige Frage auf: 1. Wird die Qualität und/oder Quantität von pilzlichen Siderophoren durch die Al-Verfügbarkeit beeinflusst? 2. Sind die für Pilze toxischen Effekte von Al durch die Verfügbarkeit und Produktion von Siderophoren beeinflussbar? 3. Wird Al über die für Ferri-Siderophore vorgesehenen Aufnahmewege in die mikrobielle Zelle aufgenommen? Zur Untersuchung der erwähnten Fragestellungen werden die Pilze Penicillium sp. (für die Produktion von Ferrichrome), Neurospora crassa (für Coprogene), Aspergillus nidulans. (Fusarine) und Rhizopus microsporus (Rhizoferrine) verwendet werden, womit gleichzeitig gewährleistet ist, dass alle wichtigen Siderophore-Typen in der Untersuchung behandelt werden. An unserem Institut konnte in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Methoden zur Untersuchung des pilzlichen Wachstums, der pilzlichen Physiologie, der Siderophorenproduktion und von bio-metallurischen Fragestellungen etabliert werden. Diese Methoden werden zur Klärung der oben angesprochenen Fragen zur Anwendung kommen.

Eisen ist für alle Lebewesen (außer für Lactobacilli) ein essentielles Element, wohingegen von Al nur eine Reihe von toxischen Effekten bekannt ist. Diese reichen von antimikrobiellen Eigenschaften über phytotoxische Wirkungen (Waldsterben), tierspezifischen Effekten (Fischsterben in sauren Seen) bis hin zu verschiedenen Beobachtungen am Menschen (neurodegenerative Alterungsprozesse). Es ist allerdings bislang unklar, wie (wenn überhaupt) das 3-wertige Al-Ion über die Plasmamembran in die Zelle gelangt. Obwohl bekannt ist, dass sich Al3+ und Fe3+ in verschiedenen Verbindungen - so auch in den Fe-transportierenden Substanzen Siderophoren - zu ersetzen vermögen, liegen keine Untersuchungen über mögliche Interaktionen zwischen pilzlichen Siderophoren und der Al-Toxizität vor. Es wurden für die vorliegende Studie gezielt Pilze als Untersuchungsobjekte gewählt, weil i) diese Organismen bislang nicht untersucht wurden, ii) sie z.B. als Mykorrhizapilze eine zentrale Rolle in vielen Ökosystemen spielen und iii) Pilze Eukaryonten und damit höheren Pflanzen und Tieren in physiologischer Hinsicht ähnlicher sind als prokaryontische Bakterien. Es wurden drei Pilze (Aspergillus nidulans, Neurospora crassa und Hymenoscyphus ericae) und einige Defektmutanten von A. nidulans als Untersuchungsobjekte ausgewählt. Damit wurde gewährleistet, dass die wichtigsten Gruppen der pilzlichen Hydroxamat-Siderophore in die Untersuchung einbezogen werden konnten. Im Rahmen des nun abgeschlossenen Projektes konnte gezeigt werden dass - Al auch im Boden durch mikrobielle Siderophore mobilisiert werden kann, das Redoxpotential Eh in Suspensionen mikrobieller Kulturen in wenigen Tagen so stark absinkt, dass Fe2+ verfügbar wird und hoch-affine Fe3+-Aufnahmesysteme an Bedeutung verlieren sollten, vielfältige Interaktionen zwischen der Al-Verfügbarkeit und dem Fe-Metabolismus bestehen, wobei häufig eine deutliche Stammspezifität der Reaktionen festgestellt wurde, Al die Produktion extrazellulärer Siderophore inhibiert u.z. bereits bei relativ geringen Al-Konzentrationen, die auf die Mikroorganismen selbst noch nicht inhibierend wirken, diese extrazellulären Siderophore (vermutlich durch einen vermehrten Transport zur/in die mikrobielle Zellen) die negativen Effekte des Al deutlich verstärken, umgekehrt, negative Effekte des Al durch die Inhibierung der Synthese extrazellulärer Siderophore größtenteils aufgehoben werden können, intrazelluläre Siderophore (Ferricrocin) toxische Effekte des Al reduzieren, die festgestellten Al-Effekte durch Al selbst und nicht indirekt über den reduzierten pH-Wert (Al wirkt als Kationensäure) verursacht werden, intrazelluläre Siderophore die Speicherung und den Gehalt an intrazellulärem Al beeinflussen.