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Ein Lichtblick für Pilze

Für Pilze kann es sehr unangenehm werden, wenn sie die schützende Dunkelheit des Erdbodens verlassen. Sie müssen sich dann schnell auf UV-Strahlung oder Feuchtigkeitsschwankungen einstellen. Wie aber merken sie, dass sie an der Erdoberfläche sind. Ein wichtiger Parameter, der ihnen diese Information liefert, ist Licht. Wie der Schimmelpilz Aspergillus nidulans Licht wahrnimmt und wie das sein Verhalten steuert, untersuchen die Forscher um Prof. Dr. Reinhard Fischer am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Immer deutlicher ist in den vergangenen Jahren geworden, wie viele molekulare Prozesse in dem Organismus durch Licht beeinflusst werden. Da Schimmelpilze vielfältig in der Lebensmittelindustrie und Biotechnologie verwendet werden, sind die Forschungsergebnisse nicht zuletzt auch für diese Bereiche interessant.

Pflanzen können das für die Photosynthese essenzielle Licht „sehen“ und richten sich in seine Richtung aus. Tiere merken, wann Tag und wann Nacht ist und passen sich physiologisch an. Licht ist eine der wichtigsten Informationsquellen in der Natur. Bereits in Pilzen sind molekulare Systeme vorhanden, die seine Anwesenheit und spektrale Zusammensetzung detektieren können. Für Pilze ist das aus verschiedenen Gründen wichtig. Zum Beispiel müssen sie wissen, ob sie sich im Boden oder an der Erdoberfläche befinden, denn die feindlichen UV-Strahlen, die Bildung von Sauerstoffradikalen durch die Lichteinstrahlung oder Temperaturschwankungen unter freiem Himmel erfordern ganz andere physiologische Anpassungen als das schützende Erdreich. Wie andere Organismen verfügen Pilze außerdem über eine „innere Uhr“, die sie an den Tag-Nacht-Rhythmus anpassen müssen. Schließlich ist Licht auch für die Fortpflanzung essenziell. So produziert der Schimmelpilz Aspergillus nidulans im Hellen sogenannte asexuelle Sporen, die vor allem die Verbreitung sicherstellen sollen. Im Dunkeln bildet er hingegen sexuelle Sporen, die sowohl zur Überdauerung als auch zu einer Durchmischung des Erbguts zwischen Individuen dienen.

Eine Zentrale der Lichtwahrnehmung

„Kürzlich hat sich herausgestellt, dass die Aktivität von rund fünf Prozent aller Gene in den untersuchten Schimmelpilzen durch Licht beeinflusst wird“, sagt Prof. Dr. Reinhard Fischer vom Institut für Angewandte Biowissenschaften am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Das ist nicht nur für Grundlagenforscher interessant, sondern sollte auch zum Beispiel die Lebensmittelindustrie aufhorchen lassen.“ Pilze produzieren sogenannte Mykotoxine, die Nahrungsmittel verderben können. Die Bildung der Mykotoxine wird durch Licht beeinflusst. Ist Licht ein Faktor, der bei den Herstellungsprozessen bisher zu wenig beachtet wurde. Und wie lassen sich die durch Licht regulierten physiologischen Vorgänge besser kontrollieren. Um das herauszufinden, untersuchen die Forscher um Fischer, was in ihrem Modellorganismus auf der molekularen Ebene passiert, wenn Lichtstrahlen einfallen. Die Karlsruher Wissenschaftler haben kürzlich im Inneren ihrer Versuchsobjekte einen Proteinkomplex entdeckt, der gewissermaßen eine Zentrale der Lichtwahrnehmung ist und von dem aus die Information in physiologische Veränderungen übersetzt wird.

Schon seit längerem war bekannt, dass Pilze Licht mithilfe der gleichen Moleküle wahrnehmen können wie etwa Pflanzen oder Tiere. Es handelt sich dabei um Proteine, die ihre Struktur ändern können, wenn sie Lichtquanten einer bestimmten Wellenlänge einfangen. Für die unterschiedlichen Farben des Lichts gibt es auch in Pilzen unterschiedliche Pigmente, die auf Einstrahlung reagieren. Für Blaulicht sind das zum Beispiel flavinhaltige Proteine, für grünes Licht ist es das Opsin, das auch im menschlichen Auge Licht detektiert, und für das rote Licht sind es die Phytochrome, die zuerst in Pflanzen entdeckt wurden und dort zum Beispiel das Wachstum in Abhängigkeit von Licht regulieren.

Überraschender Unterschied zu Tieren und Pflanzen

Ein Sporenträger von Aspergillus nidulans mit Hunderten asexuellen Sporen. © Prof. Dr. Reinhard Fischer

„In dem Lichtregulatorkomplex, den wir in unserem Pilz A. nidulans entdeckt haben, sind Phytochrom und flavinhaltige Proteine kombiniert“, sagt Fischer. Der Komplex kann also auf verschiedene Wellenlängen des Lichts reagieren. Hat er Licht eingefangen, kann er mit der DNA im Zellkern des Pilzes interagieren und dort die Ableseraten verschiedener Gene kontrollieren. Das wirkt sich auf die Physiologie und die Entwicklung des Pilzes aus. Einige der Fragen im Fischer-Labor sind jetzt, welche Signalkaskaden in Gang kommen, welche Gene im Zellkern reguliert werden, welche Moleküle hierbei noch beteiligt sind und welche konkreten physiologischen Reaktionen das alles zur Folge hat. Auf lange Sicht möchten die Karlsruher aber auch grundsätzliche Fragen klären. So zum Beispiel, wie Licht die Entwicklungsvorgänge von A. nidulans steuert und dazu beiträgt, dass asexuelle oder sexuelle Sporen gebildet werden.

Ein interessanter Aspekt ist, dass die eigentliche Wahrnehmung von Licht und die anschließende Reaktion in A. nidulans anders als bei Pflanzen oder Tieren in ein und demselben Zellkompartiment stattfindet. Bei Pflanzen etwa sitzen die Phytochrome im Zytoplasma und werden nach Anregung in den Zellkern transportiert. Der Lichtregulatorkomplex des Schimmelpilzes sitzt hingegen direkt im Zellkern. Das konnte sich vermutlich deshalb so entwickeln, weil der Pilz klein und durchsichtig ist, sodass das Licht bis direkt in den Zellkern vordringen kann. Der Detektor (also die Licht wahrnehmende Instanz) und der Effektor (also die Instanz, die eine Reaktion auf genetischer Ebene auslöst) liegen räumlich eng beieinander.

In einem Kooperationsprojekt mit Biochemikern möchten Fischer und sein Team genau aufklären, was im Inneren eines Lichtdetektors passiert, wenn er Lichtquanten einfängt. Welche Teile des Moleküls verschieben sich gegeneinander? Wie dynamisch ist dieser Prozess? Welche Kräfte wirken? „Dieses Projekt ist reine Zukunftsmusik“, sagt Fischer und meint damit, dass noch viel Arbeit bevorsteht. Aber eines ist klar: Ohne Zukunftsmusik hat es in der Wissenschaft bisher noch nie Lichtblicke gegeben.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Das Zytoplasma (Zellplasma) ist der lichtmikroskopisch betrachtet mehr oder weniger unstrukturierte Teil einer Zelle.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Toxizität ist ein anderes Wort für Giftigkeit.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
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