Die klassische Sicht auf die Proteinsekretion in Eukaryoten wurde in den letzten Jahren immer weiter aufgeweicht, da eine zunehmende Zahl von wichtigen extrazellulären Proteinen über alternative Wege exportiert wird. Diese faszinierenden und sehr diversen alternativen Wege werden unter dem Begriff „unkonventionelle Sekretion“ zusammengefasst. In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir die unkonventionelle Sekretion der Chitinase Cts1 in Ustilago maydis. Gemeinsam mit der zweiten, konventionell sekretierten Chitinase Cts2 vermittelt das Enzym die Zelltrennung während der Zytokinese. Fehlen beide Proteine, können sich die Zellen nicht teilen und bilden Aggregate. Während die Funktion von Cts1 aufgeklärt ist, fehlen Informationen zu dessen Rekrutierung in die sogenannte Fragmentierungszone – einem kleinen Zellkompartiment, das Mutter- und Tochterzelle vor der Teilung verbindet. Vor kurzem haben wir Jps1 identifiziert. Dieses Protein spielt eine wichtige Rolle für die Cts1 Sekretion. Es lokalisiert wie Cts1 in der Fragmentierungszone, bildet Dimere und bindet Phosphatidylinositol-Phosphate wie PI4,5P₂. Wir arbeiten derzeit an der Aufklärung der molekularen Details, die der unkonventionellen Sekretion zu Grunde liegen. Dazu untersuchen wir die beteiligten Proteine und ihr Interaktionsnetzwerk.

Dieses Projekt ist Teil des SFB1208. 

Unkonventionelle Sekretion für den Export von Pharmaproteinen nutzen

Bei der Produktion von rekombinanten Proteinen bietet die Möglichkeit der Sekretion in den Kulturüberstand viele Vorteile. Ein wichtiger Punkt ist die Verringerung der Prozesskosten. Allerdings kann sich die post-translationale Modifizierung von Proteinen während der konventionellen Sekretoin über das Endomembransystem negativ auswirken. So können rekombinante Proteine beispielsweise durch N-Glykosylierung in heterologen Produktionswirten inaktiviert werden. Durch die Anwendungen von unkonventioneller Sekretion für den Export von hydrolytischen und pharmazeutisch-relevanten Proteinen vermeiden wir post-translationale Modifizierungen. So konnten wir bereits Nanokörper (Nanobodies), Einzelkettenantikörper oder hydrolytische Enzyme für den Abbau von Biomasse, die sogenannten CAZymes, in ihrer aktiven Form produzieren. Dabei nutzen wir die vorher erwähnte Chitinase Cts1 als Transportvehikel, an das die jeweiligen Zielproteine angehängt werden. Eine einmalige Eigenschaft von Cts1 ist die Fähigkeit des Enzymes, an Chitin zu binden. Diese Eigenschaft kann für die Aufreinigung ausgenutzt werden. Um den Pilz als Proteinexpressionswirt zu etablieren, arbeiten wir derzeit an der Erhöhung der Ausbeute und optimieren das System auf verschiedenen Ebenen. Parallel evaluieren wir die Option, Cts1 Fusionsproteine auf Chitinoberflächen zu immobilisieren. Diese kostengünstigen Oberflächen in Kombination mit Cts1-gekoppelten Antikörperfragmenten könnten beispielsweise in flexibel anwendbaren Virus-Testsystemen Verwendung finden.

Wertiges aus Biomasse herstellen

Als Pflanzenpathogen besitzt U. maydis eine kleine aber wirkungsvolle Maschinerie von hydrolytischen Enzymen für den Abbau pflanzlicher Biomassepolymere. In den vergangenen Jahren haben wir das diesbezügliche Potential des Pilzes bereits erfolgreich erweitert und Pilzstämme für die Nutzung von Komponenten wie Zellulose oder Polygalakturonsäure entwickelt. Wir haben dabei eine Kombination aus genetischer Aktivierung intrinsischer Enzyme und Komplementation durch wirkungsvolle Fremdenzyme mittels konventioneller und unkonventioneller Sekretion eingesetzt. U. maydis ist außerdem ein natürlicher Produzent von wertigen Molekülen wie Glykolipiden, Polyolen, organischen Säuren und hydrolytischen Enzymen. Wir haben den Pilz daher für die Synthese von Fremdmolekülen wie Sesquiterpenen und Pharmaproteinen modifiziert. In Zukunft werden wir beide Eigenschaften vereinen und wertige Substanzen aus pflanzlicher Biomasse und industriellen Seiten- und Abfallströmen produzieren.  

Viele unserer angewandten Projekte sind mit dem BioSC assoziiert. 

Mikrobielles Öl als Palmölersatz? 

Palmöl ist ein wichtiger industrieller Rohstoff, der jedoch aufgrund des großflächigen Anbaus von Ölpalmen in Monokulturen problematisch in der Gewinnung ist. Wir prüfen daher die Gewinnung von Palmölersatz in U. maydis. Bestimmte Varianten des Pilzen produzieren hohe Mengen eines Öls in Lipidtröpfchen, das in seiner Zusammensetzung dem Palmöl ähnlich ist. Mit einem genetischen Ansatz versuchen wir die Ölausbeute weiter zu steigern sowie die Zusammensetzung des Öls zu variieren. Das Projekt ist Teil eines Konsortiums (BioSC Projekt NextVegOil). 

Synthetische Flechten-ähnliche Gemeinschaften verstehen

In der Natur sind Mikroben normalerweise in engen Interaktionsnetzwerken mit anderen Mikroorganismen vereint. Ein bedeutsames Beispiel ist die Flechtensymbiose – eine sehr alte und intime Gemeinschaft aus Algen und/oder Cyanobakterien mit Asco- und Basidiomycet Pilzen. Derzeit sind diese Königreich-übergreifenden mikrobiellen Gemeinschaften nicht gut verstanden. Wir möchten die zugrundeliegenden molekularen Prinzipien untersuchen und verstehen, indem wir synthetische Gemeinschaften von Cyanobakterien und Pilzen entwickeln. Durch die gezielte Manipulation werden wir die Interaktionen zunächst auf Ebene des Kohlenstoffmetabolismus modulieren. Auch die physischen Interaktionen der Gemeinschaft werden mit synthetisch-biologischen Methoden manipuliert und untersucht. Die physiologischen Konsequenzen jeder Einflussnahme werden wir mittels Sensoren auslesen. Durch Anwendung dieses Prinzips möchten wir neue Informationen zur Organisation der mikrobiellen Interaktionsnetzwerken gewinnen, um diese besser zu verstehen und in Zukunft de novo designen zu können.

Synthetische Gemeinschaften für biotechnologische Anwendungen nutzen

Mikrobielle Gemeinschaften haben weitreichende Vorteile gegenüber Reinkulturen. So werden beispielsweise bei Organismengemeinschaften Arbeitsteilung und komplementäre Metabolismen beobachtet. Diese Strategien verringern die individuelle Belastung der Zellen. In einem biotechnologischen Ansatz möchten wir Flechten-ähnliche mikrobielle Gemeinschaften für die Produktion wertiger Moleküle aus Sonnenlicht entwickeln. Hier lassen wir phototrophe Cyanobakterien mittels Licht und CO₂ zur „Fütterung“ von heterotrophen Pilzen wie U. maydis oder S. cerevisiae wachsen. Je nachdem, welcher Pilz in die Gemeinschaft eingebracht wird, können so unterschiedliche wertige Substanzen kostengünstig aus Sonnenlicht als Energiequelle hergestellt werden. Derzeit konzentrieren wir uns dabei auf die Produktklasse der Sesquiterpene. 

S. Dali, M. Schultz, M. Köster, M. Kamel, M. Busch, W. Steinchen, S. Hänsch, J. Reiners, S.H.S. Smits, A. Kedrov, F. Altegoer^*, K. Schipper^* (2025) Specific phosphoinositide interaction of Jps1 is a key feature during unconventional secretion in Ustilago maydis. J. Biol. Chem. 6:301

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M. Philipp, L. Müller, M. Andrée, K.P. Hussnaetter, H. Schaal, M. Feldbrügge, K. Schipper (2022) Efficient SARS-CoV-2 detection utilizing chitin-immobilized nanobodies synthesized in Ustilago maydis. bioRxiv

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