Die Rolle von Kohlenstoff in mikrobiellen Konsortien

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. Im Rahmen des SFB1535 möchten wir die zugrundeliegenden molekularen Prinzipien untersuchen und verstehen, indem wir synthetische Gemeinschaften von Cyanobakterien und Pilzen entwickeln. Durch die gezielte Manipulation modulieren wir die Interaktionen auf Ebene des Kohlenstoffmetabolismus am Beispiel von Saccharose. Dafür haben wir synthetische Stämme in den Modellpilzen Saccharomyces cerevisiae und Ustilago maydis hergestellt, die Saccharose entweder extrazellulär spalten oder das Disaccharid aufnehmen, um es intrazellulär zu hydrolysieren. Die extrazelluläre Spaltung hat zur Folge, dass die freiwerdenden Hexosen auch Nachbarzellen ohne eigene Invertase zur Verfügung stehen. Bei einer Aufnahme der Saccharose ist dies nicht der Fall. Wir untersuchen gezielt, wie die verschiedenen Metabolisierungstypen auf Konkurrenten reagieren und wie sich Parameter wie der pH-Wert oder die Saccharoseverfügbarkeit darauf auswirken. So möchten wir neue Informationen zur Organisation der mikrobiellen Interaktionsnetzwerken gewinnen, um diese besser zu verstehen und in Zukunft de novo designen zu können.

Im Rahmen des Projekts haben wir auch den Saccharosemetabolismus von Ustilago maydis aufgeklärt und festgestellt, dass dieser erstaunlich komplex und an den Lebenszyklus des Pilzes angepasst ist. Dabei bedient sich der Pilz an Enzymen aus dem Maltosemetabolismus, um in axenischer Kultur Saccharose nicht nur extrazellulär, sondern auch intrazellulär verstoffwechseln zu können. Während der Pflanzeninfektion, im filamentösen Stadium, ist der Pilz stark vom intrazellulären Saccharosemetabolismus abhängig, bedient sich dabei aber eines anderen Enzymsets. 

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. 

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. im Rahmen des SFB1208 haben wir das Protein Jps1 identifiziert, das eine zentrale 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.

Export von Pharmaproteinen mittels unkonventioneller Sekretion

Bei der Produktion von rekombinanten Proteinen bietet die Möglichkeit der Sekretion in den Kulturüberstand viele Vorteile, wie beispielsweise geringe Prozesskosten. Allerdings kann sich die post-translationale Modifizierung von Proteinen während der konventionellen Sekretion 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 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.

Dieses Projekt ist Teil des Graduiertenkollegs „AUFBRUCH – Die Transformation in eine nachhaltige regionale Bioökonomie gestalten“.

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. Auch arbeiten wir daran, das natürliche Spektrum zu verschieben und so industriell-relevante mittelkettige Fettsäuren in dem Öl anzureichern. Das Projekt ist Teil eines Konsortiums und wird derzeit vom BioSC gefördert (BioSC Projekt FamoUs). 

Plattform für bioaktive Sesquiterpenoide aus Hutpilzen

Hutpilze stellen eine reiche Quelle bioaktiver Terpene und Terpenoide dar, die jedoch nicht immer für den Menschen zugänglich ist. Wenn die zugrundeliegenden Synthesewege bekannt sind, könnten sie in mikrobielle Modelle übertragen werden, so dass die bioaktiven Sekundärmetabolite unter Laborbedingungen produziert werden können. Dies gelingt jedoch bislang häufig nicht, weil bspw. metabolische Inkompatibiltitäten vorliegen. U. maydis ist als Basidiomyceten-Pilz ein Verwandter der Hutpilze und aufgrund seiner Rolle als Modellpilz hervorragend für die Produktion solcher Moleküle geeignet. So prüfen wir derzeit die Herstellung von Sesquiterpenen und Sesquiterpenoiden und konnten bereits einige erfolgreich herstellen. 

Neue Werkzeuge für die Biotechnologie 

Um weitere Biosynthesewege effizient in U. maydis bringen zu können und den Metabolismus flexibel manipulieren zu können, haben wir kürzlich im Rahmen des SFB1535 ein modulares Klonierungssystem „UstiGate“, ein großes Set von Promotoren unterschiedlicher Stärke, sowie neue Insertionsloci etabliert.  

Biomasse-Valorisierung

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 mikrobiellem Öl, 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. 

F. Mostafa, A. Krüger, T. Nies, J. Frunzke, K. Schipper, A. Matuszynska (2024) Microbial markets: socio-economic perspective in studying microbial communities. microLife. 5:uqae016

doi

D. Hasenklever^$, J. C. Pohlentz^$, T. Berwanger^$, E. J. Kokarakis, T. Hassan, K. Schipper, A. Matuszyńska, I. M. Axmann, D. C. Ducat (2024). Assembly and quantification of co-cultures combining heterotrophic yeast with phototrophic sugar-secreting cyanobacteria. J. Vis. Exp. 214:e67311

^$shared first authorship

doi

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

* shared corresponding authorship

doi

P. Richter, M. Maßjosthusmann, T. Seidel, L. Walter, K. Miebach, M. Mann, J. Büchs, K. Schipper, M. Feldbrügge, J. Goeke, D. M. Wieland, H. Hayen, J. B. Magnus (2025) Tailoring the fatty acid profile of microbial triglycerides in Ustilago maydis by adapting the cultivation conditions. Bioresource Technology Reports, 102119

doi

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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