CHICAT: Chitin Catabolismus in Schimmelpilzen

Chitin ist ein lineares Polysaccharid, das aus ß-(1-4) verknüpften N-acetylglucosamin Zucker-Einheiten besteht. In Schimmelpilzen (filamentösen Pilzen) befindet sich Chitin in den inneren Schichten der Zellwand, nahe an der Plasmamembran, und bildet dort mit gemeinsam ß-(1,3) Glucan das strukturelle Grundgerüst der Pilzzellwand. Chitin kommt in der Natur jedoch nicht nur in Pilzzellwänden vor, sondern auch im Exoskelett von wirbellosen Tieren, z.B. Insekten und Shrimps. Obwohl jedes Jahr mindestens 10 Gigatonnen Chitin in der der Natur produziert werden, sieht man keine Anhäufungen dieses natürlichen Polymers, was darauf schließen lässt, dass es effizient wieder abgebaut wird. Dieser Abbau geschieht durch die Enzyme von Schimmelpilzen und Bakterien, die Chitin als Nahrung verwerten können. Chitin-abbauende Enzyme sind in Pilzen jedoch nicht nur für die Nahrungsgewinnung wichtig, sondern haben auch eine Funktion im Ab- und Umbau der Pilzzellwand während des Wachstums. Chitinasen sind Enzyme die das Polymer Chitin zu max. Dimeren (2 Zuckereinheiten) abbauen. Die Spaltung dieser Dimere in Monomere geschieht durch N-acetylglucosaminidasen (Chitobiasen), und erst das Monomer N- acetylglucosamin kann in die Pilzzelle aufgenommen und verwertet werden. Schimmelpilze haben normalerweise zwischen 10 und 30 verschiedene Chitinasen, aber nur ein oder zwei N-acetylglucosaminidasen. Der weitere Abbauweg von N-acetylglucosamin wurde bisher erst in der human-pathogenen Hefe Candida albicans, aber nicht in Schimmelpilzen untersucht. Die Analyse der Genomsequenzen von verschiedenen Schimmelpilzen zeigte dass die Gene für den N- acetylglucosamin-Abbauweg in Schimmelpilzen in einem Cluster vorliegen. Das ist ähnlich zu C. albicans, jedoch findet sich in Schimmelpilzen in diesem Gencluster auch ein Gen für einen Transkriptionsfaktor und ein bisher nicht charakterisiertes Enzym das zu einer Proteinfamilie gehört die Zuckerdimere abbauen kann. Ziel dieses Projektes ist es daher den N-acetylglucosamin-Gencluster zu untersuchen. Sowohl die Regulation der darin enthaltenen Gene, als auch deren entsprechende Funktionen werden analysiert werden. Die Ergebnisse werden dazu beitragen den Chitin-Abbauweg in Schimmelpilzen besser zu verstehen und sowohl metabolische als auch regulatorische Funktionen der in diesem Abbauweg enthaltenen Proteine aufzuzeigen.

Chitin ist ein lineares Biopolymer, das aus N-Acetylglucosamin Einzelzuckern besteht. In der Natur kommt Chitin im Exoskelett von wirbellosen Tieren, z.B. von Insekten und Schalentieren vor, aber auch in der Zellwand von Pilzen. Das natürliche Recycling von Chitin geschieht vorwiegend durch Mikroorganismen, d.h. Bakterien und Pilze, die Chitin in seine Einzelzucker abbauen und diese dann als Nahrung verwerten können. In diesem Projekt wurden die Stoffwechselwege, die zur Aufnahme und Verwertung von N-Acetylglucosamin notwendig sind, eingehend untersucht. Diese Thematik ist nicht nur aus biologischer Sicht interessant, sondern auch für biotechnologische Prozesse relevant in denen es um die Verwertung von chitinhaltigen Abfallprodukten geht, da es eine Vielzahl von Produkten in der Nahrungsmittel-, Kosmetik- und Medizintechnikindustrie gibt, die N-Acetylglucosamin oder chemisch verwandte Substanzen als Grundbestandteil haben. Die Analyse der Genomsequenzen von verschiedenen Schimmelpilzen zeigt, dass die Gene für den N-Acetylglucosamin-Abbauweg in Pilzen in einem Cluster vorliegen und durch einen gemeinsamen Regulator gesteuert werden. Dieser Regulator, RON1, war bisher nicht bekannt und wurde in diesem Projekt eingehend untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass RON1 essentiell für die Verwertung von N-Acetylglucosamin als Nahrungsquelle ist. Weiters wurde die Funktion und Regulation der Gene für den gesamten Stoffwechselabbauweg von N-Acetylglucosamin charakterisiert. Ein Vergleich des N-Acetylglucosamin Abbauweges von verschiedensten Pilzen zeigte auf genomischer Ebene große Ähnlichkeiten, eingehende Untersuchungen des Wachstums von unterschiedlichen Pilzarten zeigten jedoch, große Species spezifische Unterschiede in der Verwertbarkeit von N-Acetylglucosamin. Für manche Arten war der Einzelzucker als Zusatz sogar stark wachstumshemmend, obwohl sich in der Zellwand desselben Pilzes eben genau dieser Zucker als Polymer befindet. Die Erklärung dafür ist, dass eines der Zwischenabbauprodukte von N-Acetylglucosamin für diesen Pilz wachstumshemmend wirkt. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Verständnis solcher Zusammenhänge für die Selektion und Anwendung von Mikroorganismen in biotechnologischen Prozessen sehr wichtig ist.