Anregung der Produktion bioaktiver Metabolite in Pilzen

In den letzten Jahrzehnten nahm die Anzahl resistenter Mikroorganismen in der Medizin und in der Landwirtschaft weltweit stetig zu. Verschärft wurde dieser höchstproblematische Umstand noch durch das gleichzeitige langsame Versiegen des Nachschubes an neuen wirksamen Substanzen wie Antibiotika. Pilze stellen eine Gruppe von Lebewesen dar, die bereits erfolgreich zur Produktion solcher Substanzen, wie zum Beispiel dem Antibiotikum Penicillin, genutzt wurden und werden. Forschungen der letzten Jahre zeigten aber, dass die bisherigen Kultivierungsbedingungen das Potenzial dieser Organismen bei weitem nicht ausschöpften, da viele Stoffwechselwege bislang unter Laborbedingungen nicht aktiviert werden konnten. Um diese nicht genutzt Möglichkeiten zur Produktion neuer wirksamer Substanzen für die Medizin und landwirtschaftliche Produktion zu eröffnen bedarf es aber eines wichtigen Rüstzeuges: dem besseren Verständnis der genauen Abläufe im Stoffwechsel dieser Organismen. Eine der großen Herausforderungen ist es diese inaktiven Stoffwechselwege zu triggern. Mit dieser Arbeit sollen zwei biotechnologisch interessante Organismen genau dahingehend stimuliert werden. Zum einen ein filamentöser Pilz namens Metarhizium brunneum, der bereits zur kommerziellen Produktion von Wirkstoffen gegen Schadinsekten in der Landwirtschaft genutzt wird und der auch für die Krebstherapie interessante Substanzen (Destruxine) ausscheidet. Zum anderen ein Schimmelpilz namens Penicillium ochrochloron, der neben seiner Anwendung zur Laugung von Metallen auch eine Substanz namens Xanthoepocin produziert, welche ein möglicher Anwärter für ein neues Antibiotikum darstellt. Für diese Studie werden erstmalig hochstandardisierte Fermentationstechniken und gleich mehrere Möglichkeiten zur Anregung des Stoffwechsels neue Substanzen zu produzieren mit hochmoderner Analytik kombiniert. Unter anderem werden die gemeinsame Fermentation verschiedener Organismen und die Aktivierung neuer Stoffwechselwege auf epigenetischer Ebene dafür genutzt um die Produktion neuer bioaktiver Wirkstoffe anzuregen. Ein Vergleich unterschiedlicher Wachstumsbedingungen und die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen die Effizienz der Ausbeute an neuen Substanzen erhöhen. Die dabei gewonnenen Proben und Substanzen - im Speziellen Xanthoepocin und verschiedenen Destruxine - werden dann bezüglich ihrer Anwendbarkeit gegen Schadinsekten im Ackerbau, gegen multiresistente Bakterien und Pilze sowie als mögliche Kandidaten für eine medikamentöse Krebstherapie getestet. Die Ergebnisse dieser Studie sind daher für eine Reihe von verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen von Interesse und werden zudem neue einzigartige Einblicke in den Stoffwechsel von Pilzen geben.

Pilze sind eine unerschöpfliche Quelle für bioaktive Naturstoffe, was in Zeiten zunehmender Multiresistenzen gegen Antibiotika von besonderer Bedeutung ist. Eine von vielen Strategien zur Gewinnung neuer Sekundärmetabolite, aber auch zur Erforschung grundlegender physiologischer Aspekte, ist die gezielte Veränderung der Umweltbedingungen, unter denen Pilze wachsen. Dieses Projekt, das auf einem physiologischen Ansatz unter Verwendung von standardisierten Bioreaktorbatchkulturen basierte, machte sich diese Strategie zunutze und versuchte, neuartige, bioaktive Naturstoffe in Verbindung mit einem tieferen Verständnis der Pilzbiologie zu gewinnen. Diese Studie verfolgte zwei Hauptziele: (1) Erstens die Vorauswahl von Probenfraktionen mit potenziell neuen bioaktiven Verbindungen, die von im Bioreaktor gezüchteteten Kulturen von Penicillium ochrochloron und Metarhizium brunneum produziert wurden. Die Stämme wurden verschiedenen Kulturbedingungen ausgesetzt, u.a.Nährstoffbeschränkungen, verschiedene Belichtungen oder Co-Kultivierung. (2) Zweitens sollte untersucht werden, wie die oben genannten Stimuli die biotechnologisch und medizinisch interessanten Metabolite Xanthoepocin (P. ochrochloron) und Destruxine (M. brunneum) beeinflussen. Im Rahmen dieser Studie wurden einige Triggerfaktoren des medizinisch interessanten Sekundärmetaboliten Xanthoepocin identifiziert. So konnte beispielsweise unter Stickstofflimitierung und im Dunkeln die höchste Ausbeute erzielt werden. Weiters konnten wir nachweisen, dass Xanthoepocin gegen wesentlich mehr multiresistente Bakterienspezies effektiv ist als bislang angenommen. Wird das lichtsensitive Molekül zudem vor sichtbarem Licht geschützt, so wurde seine Wirksamkeit sogar erhöht. Auch bei den agrikulturell und medizinisch relevanten Destruxinen konnten wir eine unerwartete lichtabhängige Produktion bei M. brunneum beobachten. Durch die gleichzeitige Kultivierung (Co-Kultivierung) von P. ochrochloron und M. brunneum erreichten wir eine zusätzliche signifikante Erhöhung der Destruxinausbeute. Ettliche Rohextrakte getesteter Pilze zeigten zudem vielversprechende Bioaktivität und werden Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten sein. Aufgrund des physiologischen Ansatzes konnten wir eine Fülle von Daten und Erkenntnissen über grundlegende physiologische Prozesse wie Wachstum, Produktion von Sekundärmetaboliten oder Ausscheidung organischer Säuren erhalten. Generell zeigte sich der Stimulus Licht als ein äußerst effektiver Triggerfaktor zur Manipulation des pilzlichen Stoffwechsels, wobei wir teils gravierende Veränderungen auf physiologischer Ebene nachweisen konnten. So konnten wir neben Xanthoepocin und den Destruxinen für eine Reihe bereits bekannter anderer Sekundärmetabolite erstmals eine Lichtabhängigkeit ihrer Produktion nachweisen. Überraschend war, dass sich auch der Primärstoffwechsel (z.B. organische Säureausscheidung) als teils sehr lichtsensitiv erwies, wobei wir mehrfach eine nährstoffabhängigige Lichtsensitivität nachweisen konnten. Die Ergebnisse dieses Projektes bieten einzigartige Einblicke in den (Licht-)Stoffwechsel von Pilzen und bilden die Basis für zukünftige Forschungsarbeiten, welche sich sowohl mit dem Primär- als auch dem Sekundärstoffwechsel von Einzel- und Co-Kulturen biotechnologisch relevanter Pilze auseinandersetzen werden. Neben zahlreichen grundlegenden Erkenntnissen hinsichtlich ausgewählter medizinisch relevanter Sekundärmetabolite, dürfte vor allem die lichtabhängige Produktion organischer Säuren in Pilzen von hoher biotechnologischer Relevanz sein.