Wetenschap
Onderzoek naar een moleculair mechanisme dat thermofiele schimmelaanpassing aan temperatuurverandering vergemakkelijkt
Thermofiele schimmels zijn hoofdcomponenten van mycoflora in een verscheidenheid aan natuurlijke en door de mens gemaakte composteringssystemen, waaronder rottend hooi, opgeslagen granen, houtmulch, nestmateriaal van vogels en dieren, gemeentelijk afval en door zelfverhitting opgehoopt organisch materiaal. Thermofiele schimmels zijn ook een potentiële bron van natuurlijke producten, die de metabolietenbibliotheken van mesofiele schimmels en bacteriën aanvullen.
Het onderzoeksteam onder leiding van prof. Xuemei Niu (State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Bio-Resources in Yunnan, Yunnan University) werkt sinds 2007 aan de ontdekking van secundaire metabolieten in thermofiele schimmels en hun biologische activiteiten en natuurlijke functies.
Begin 2010 rapporteerde het team dat een overheersende thermofiele schimmel Thermomyces dupontii een nieuwe klasse van geprenyleerde indoolalkaloïden (PIA's) produceerde, met de opvallende structurele kenmerken van een belangrijke vermeende veelzijdige voorloper die al lang is voorgesteld voor de bekende complexe PIA's in mesofiele schimmels.
In hun laatste onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Mycology , probeerde het team vast te stellen waarom T. dupontii zo'n klasse PIA's produceerde. Ze richtten zich op twee P450-genen in de genencluster die verantwoordelijk is voor PIA's, omdat P450 secundaire metabolieten kan modificeren en transformeren om diverse en complexe metabolieten te genereren.
Bovendien blijft het ecologische belang van P450-genen tot op heden slecht begrepen. Onverwachts gaf bio-informatica-analyse aan dat een van de P450-genen een uniek fusiegen P450L is dat codeert voor twee functionele domeinen die afzonderlijk werden gecodeerd door twee onafhankelijke genen in andere schimmels.
Ze hebben een thermofiel CRISPR/Cas9-systeem opgezet en twee mutante tekortkomingen in twee P450-genen geconstrueerd. Het team voerde metabolische analyses en gedetailleerd chemisch onderzoek uit en ontdekte dat twee P450-genen multifuncties hebben bij het vormen van eenvoudige van PIA afkomstige ijzerchelatoren, het versterken van eenvoudige PIA's tot complexe PIA's en het opleveren van effectieve ijzerchelatoren. Verrassend genoeg observeerden ze dat het fusiegen P450L een extra rol speelt bij de vorming van complexere ijzerchelatoren afgeleid van nieuwe complexe PIA's.
De onderzoekers evalueerden ook de ijzerniveaus in de mutanten en ontdekten dat de door P450 gemedieerde metabolietmodificaties betrokken waren bij het verhogen van Fe 2+ niveaus maar verzwakken Fe 3+ niveaus, wat leidt tot hoge verhoudingen van Fe 2+ /Fe 3+ in de thermofiele schimmel onder koude stress, die de mitochondriale inhoud en lipidenvorming in mycelia reguleerde en bijdroeg aan sterke en stevige conidioforen, waardoor de overleving van thermofiele schimmelconidien onder koude stress werd vergemakkelijkt.
Als een van de fundamentele en beperkende fysieke factoren in het milieu speelt temperatuur een zeer belangrijke en zelfs beslissende rol in het voortbestaan en de verspreiding van organismen op het aardoppervlak. Met de intensivering van de mondiale extreme klimaatverandering heeft het onderzoek naar aanpassing en het bestrijden van temperatuurverandering steeds meer aandacht getrokken.
De resultaten in deze studie zouden kunnen verklaren waarom Thermomyces-soorten met een groot gereduceerd genoom kunnen overleven in de biosfeer, waar de temperaturen vaak onder hun groeitemperaturen liggen. Ze suggereren dat de schimmel niet veel biosynthetische kerngenen nodig heeft voor verschillende families van metabolieten. P450-gemedieerde structurele modificaties kunnen voldoen aan de behoeften van schimmeltolerantie bij lage temperaturen en overlevingsvermogen.
"Deze studie zal wetenschappers die werken aan structurele diversiteit aanmoedigen om de natuurlijke functies van het modificeren van genen te ontdekken en alle onbekende moleculaire geheimen te onthullen die de chemische diversiteit met zich meebrengt", aldus prof. Niu.