Systembiologie und Ökologie mikrokolonialer Pilze

Schwarze, gesteinsbesiedelnde Pilze gelten derzeit als die Stress resistentesten Eukaryonten. Sie wachsen auf nackten Gesteinsoberflächen in kalten und heißen Wüstengebieten und sind auch in der Arktis und Antarktis charakteristischer Teil der epi- und endolithischen Mikroflora. Neuere Experimente haben gezeigt, dass diese Pilze hohe Dosen an UV- und radioaktiver Strahlung, vollständige Austrocknung und absoluten Nährstoffmangel überdauern und sogar unter Weltallbedingungen und in simulierter Marsatmosphäre lebensfähig bleiben. Ziel des Projektes ist es die Lebensweise dieser außergewöhnlichen Pilze besser zu verstehen und zu untersuchen, welche zellulären Mechanismen für die enorme Stresstoleranz verantwortlich sind. Die Lebensstrategie und die Stressanpassung werden an Pilzisolaten aus den Polarregionen und dem Mittelmeerraum exemplarisch und auf Basis von Protein-Expressionsprofilen untersucht. Die zur Untersuchung verwendeten Methoden sind die 2- dimensionale Proteingelelektrophorese mit Fluoreszenzfarbstoffen (DIGE) sowie ein gel-unabhängiger Ansatz (iTRAQ). RNA-Quantifizierungen werden durchgeführt, um die Lebensfähigkeit der Pilze und den Wechsel zwischen Dormanz und Aktivität zu untersuchen. Unterschiedliche Umweltbedingungen werden in einer Klimakammer und in der Mars-Simulationskammer des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt simuliert. Untersuchungen des Proteoms sind eine absolute Innovation im Bereich der Forschung zu Mikrokolonialen Pilzen und schwarzen Hefen. Die Kenntnisse zur Ökologie und Stressanpassung können für andere Wissenschaftsbereiche von großem Interesse sein: (a) für die Biotechnologie (Suche nach temperaturstabilen Enzymen), (b) in der Medizin (Proteine als Zellschutz) und (c) bei der Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf biologische Systeme.

Schwarze Pilze besiedeln weltweit die Oberflächen von Gesteinen, sie kommen in den Alpen, auf den Gesteinen der Arktis und Antarktis und ebenso in heißen Wüstengebieten der Erde vor und überleben sogar die Bedingungen auf dem Mars. Die Lebensbedingungen der Pilze sind extrem: Wassermangel, Nähstoffmangel, extreme Temperaturen und hohe Sonneneistrahlung sind Faktoren, die es den meisten Lebewesen unmöglich machen diese Standorte zu besiedeln. Die schwarzen Pilze jedoch haben in ihren Zellen spezielle Eiweißverbindungen (Proteine), die es ihnen ermöglichen den Extrembedingungen Stand zu halten. Die Pilze, die in diesem Projekt untersucht wurden kommen aus der Antarktis (Cryomyces sp., der Kältepilz), aus Gletscherwasser und heißem Leitungswasser (Exophiala sp.) und von Marmorskulpturen im Mittelmeerraum (Coniosporium sp.). Während andere Pilze eine Reihe von speziellen Eiweißen und weiteren schützenden Verbindungen in der Zelle erst produzieren müssen, wenn sie kurz- oder längerfristig extremen Lebensbedingungen ausgesetzt werden, sind die schwarzen mikrokolonialen Pilze von vorne herein daran angepasst und benötigen nur ganz geringe Veränderungen in der Zelle molekulares fine-tuning um zu wachsen und zu überleben. Besonders erstaunlich dabei ist, dass der selbe Pilz mit seiner ihm eigenen Proteinausstattung sowohl bei 0C wie auch bei 45C noch wachsen kann. In anderen Experimenten, die in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Berlin durchgeführt wurden, konnten wir zeigen, dass manche dieser Pilze auch bei Lebensbedingungen wie sie auf dem Mars herrschen noch wachsen können. Diese Pilze sind also gute Modelle für das Forschungsgebiet der Exobiologie, das der Frage nach Leben auf anderen Planeten nachgeht. Die schwarzen Pilze sind aber nicht nur äußerst gut an Extrembedingungen angepasst, sie können auch längere Zeit in einem Zustand völliger Austrocknung und völliger Inaktivität verbringen, ohne dass die Zellen Schaden erleiden. Werden die Lebensbedingungen wieder besser, erlangen die Pilze innerhalb von Minuten wieder Aktivität und der Stoffwechsel funktioniert wie zuvor. Ähnliche rasche Wechsel von Ruhestadien und Aktivität an Extremstandorten sind noch von Flechten bekannt. Die schwarzen Pilze können in der Zukunft auch wichtige Lieferanten für Substanzen sein, die für den Menschen als Zellschutz gegen Austrocknung der Haut oder Schäden durch freie Radikale Anwendung in der Kosmetik oder Medizin finden können.