Fehlende Schritte in der Nährstofferkennung in T. reesei

Überleben in einer natürlichen Umgebung erfordert das Auffinden und die effiziente Nutzung von Nährstoffen im Umkreis lebender Organismen. Die Energie, die dafür benötigt wird, natürliche Substrate abzubauen und damit chemische Grundstoffe freizusetzen, die verwertet werden können muss sinnvoll eingesetzt werden, um in einem komplexen Habitat konkurrenzfähig zu sein, wo nicht nur Wachstum, sondern auch Fortpflanzung und Wettbewerb mit anderen Organismen entscheidend sind. Der filamentöse Pilz Trichoderma reesei (syn. Hypocrea jecorina) ist sehr effizient beim Abbau cellulosehaltiger pflanzlicher Biomasse, wodurch er zu einem der am meisten verwendeten biotechnologischen Produktionsorganismen wurde. Unsere Forschung zeigte, dass die Regulation der Transkription der wichtigen Cellulasegene sowie die Produktion der Cellulose abbauenden Enzyme entscheidend durch Umweltfaktoren über die Signalwege der Lichtreaktion und der heterotrimeren G-Proteine beeinflusst wird. Unsere jüngsten Ergebnisse beinhalten einen G-Protein gekoppelten Rezeptor der für die effiziente Produktion von Enzymen unter induzierenden Bedingungen erforderlich ist. Dieser Rezeptor nimmt das Signal einer präzise definierten Glucosekonzentration auf und übermittelt es der Zelle. Zusätzlich haben wir entdeckt, dass im nachgeschalteten cAMP Signalweg eine Phosphodiesterase eine mehr als 100fache Änderung der Cellulase Levels in Licht bewirkt. Wir wollen daher die Nachricht verstehen, die T. reesei dazu bringt, alle Ressourcen auf die Produktion von Enzymen zu fokussieren und wie diese durch die Signalkaskade übermittelt wird bis hin zur Genexpression. Dafür wollen wir die folgenden Hypothesen prüfen: Der heterotrimere G-protein Weg ist der hauptsächliche Signalweg für die Transmission des Signals das die posttranskriptionelle Regulation der Cellulase Genexpression reguliert. Der cAMP Signalweg und speziell die Phosphodiesterasen und/oder deren regulatorische Ziele tragen entscheidend zur Cellulaseregulation nach dem G-Protein Weg bei und beeinflussen den Phosphorylierungszustand wichtiger Cellulase Regulatoren und/oder Transkriptionsfaktoren abhängig von Licht. Mit diesem Arbeitsprogramm beabsichtigen wir, Einblicke in die Reaktion filamentöser Pilze auf ihre Umwelt zu gewinnen, wie sie geeignete Substrate wahrnehmen und wie sie ihre Ressourcen für die Verwertung von Nährstoffen aufteilen. Die beteiligten Gene, die wir untersuchen werden uns zeigen wie ein einfaches Signal wie Glukose in der richtigen Konzentration in die komplexe Regulation lebenserhaltender Prozesse eines Pilzes integriert wird. Im Hinblick auf die Anwendung unserer Ergebnisse wollen wir noch fehlende Verbindungen und Schritte in der Signalkaskade finden, die verändert werden können um positive Effekte zu kombinieren und auszunutzen um eine hohe Produktion von Enzymen in Dunkelheit zu erreichen und damit unter Bedingungen wie in einem industriellen Fermentor.

Überleben in einer natürlichen Umgebung erfordert das Auffinden und die effiziente Nutzung von Nährstoffen im Umkreis lebender Organismen. Die Energie, die dafür benötigt wird, natürliche Substrate abzubauen und damit chemische Grundstoffe freizusetzen, die verwertet werden können muss sinnvoll eingesetzt werden, um in einem komplexen Habitat konkurrenzfähig zu sein. Der filamentöse Pilz Trichoderma reesei ist sehr effizient beim Abbau cellulosehaltiger Biomasse, wodurch er zu einem der am meisten verwendeten biotechnologischen Produktionsorganismen wurde. Wir konnten nun faszinierende Erkenntnisse gewinnen über die Interaktion von Pilzen mit ihrer Umgebung. T. reesei kann die Gegenwart einer Pflanze wahrnehmen und durch den Zusammenhang mit der Cellulaseproduktion auch unterscheiden ob für den Abbau von totem Substrat Enzyme nötig sind, oder die Verwertung von Pflanzenexudaten keine zusätzlichen Enzyme erfordert. Dafür ist der G-Protein Signalübertragungsweg von entscheidender Bedeutung und fast alle seine Komponenten spielen eine Rolle darin, ob das Glukosesignal von außerhalb der Zelle übertragen wird. Der dafür verantwortliche Rezeptor CSG1 hat einen lichtabhängigen Einfluß auf die Genregulation und wirkt nicht nur auf die Regulation von cellulolytischen Enzymen, sondern auch auf die Produktion von Sekundärmetaboliten wie zum Beispiel Sorbicillinen. Ein wichtiger Aspekt dieser Regulation dürfte die Wirkung auf GPR16 sein, dessen Gen nicht mehr exprimiert wird, wenn csg1 im Genom fehlt. GPR16 ist ein weiterer G-protein gekoppelter Rezeptor, der maßgeblich an einem Feedback-Mechanismus beteiligt ist, der die Sorbicillin Produktion reguliert: Fehlt gpr16 im Genom von T. reesei, nimmt die Produktion von Sorbicillinen massiv zu, sodaß sogar das Wachstum des Stammes beeinträchtigt wird. Dies ist allerdings davon abhängig ob der Gen-cluster, der für die Sorbicillin Produktion verantwortlich ist, intakt ist. Im Hinblick auf die Cellulaseregulation ist GPR16 ebenfalls wichtig, da das Signal, das er empfängt, für die Produktion der Cellulasen benötigt wird. Folglich haben wir mit CSG1 und GPR16 ein Sensorenpaar entdeckt, das die Cellulaseproduktion mit der Produktion von Sekundärmetaboliten balanciert und wesentlich für die Reaktion auf Pflanzen ist. Weitere Untersuchungen der Signalkaskaden in T. reesei beschäftigten sich mit dem G-protein Weg, auf den unter anderem die G-protein gekoppelten Rezeptoren CSG1 und GPR16 wirken. Vor allem GNA1 zeigte eine bedeutende Wirkung auf die Genregulation beim Wachstum auf Cellulose und beeinflusste ebenfalls die Regulation von metabolischen Genen sowie den Sekundärmetabolismus. Für die weiteren Untereinheiten GNA2, GNA3, GNB1 und GNG1 zeigten sich spezifische Regulationsmuster, die sich in Licht und Dunkelheit unterschieden und Gegenstand genauerer Untersuchungen sind. Schließlich haben wir noch den G-protein gekoppelten Rezeptor GPR1 und seine Relevanz für die Reaktion auf erhöhte Methionin-Konzentrationen untersucht, für den Regulator der G-proteinaktivität RGS4 eine Relevanz für die Eisenhomöostase entdeckt und bedeutende Regulationsmuster von 6 Kinasen der MAPkinase Signalwege aufgedeckt. Insgesamt haben unsere Ergebnisse dieses Projekts faszinierende Fortschritte im Verständnis der lichtabhängigen Nährstoffsignalübertragung gebracht, die auch die vernetzte Regulation von Enzymproduktion und Sekundärmetabolismus weiter unterstreichen.