Eine neu beschriebene Art der Chemie in Pilzen ist sowohl überraschend häufig als auch wahrscheinlich mit hochreaktiven Enzymen verbunden, zwei Eigenschaften, die die beteiligten Gene zu nützlichen Wegweisern machen, die auf eine potenzielle Schatzkammer biologischer Verbindungen mit medizinischen und chemischen Anwendungen hinweisen.
Auch für Wissenschaftler war es bislang nahezu unsichtbar.
In den letzten 15 Jahren stützte sich die Suche nach Molekülen aus lebenden Organismen – von denen viele als Medikamente, antimikrobielle Wirkstoffe, chemische Katalysatoren und sogar Lebensmittelzusatzstoffe vielversprechend sind – auf Computeralgorithmen, die darauf trainiert sind, die DNA von Bakterien, Pilzen und Pflanzen nach Genen zu durchsuchen, die Enzyme produzieren, von denen bekannt ist, dass sie biologische Prozesse antreiben, die zu interessanten Verbindungen führen.
„Anfang der 2000er-Jahre geriet das Forschungsgebiet an seine Grenzen, als der Entdeckungsprozess darin bestand, Dinge aus Pilzen zu extrahieren und zu sehen, was diese Extrakte bewirkten. Aber wir entdeckten immer wieder die gleichen Dinge“, sagt Grant Nickles, ein Doktorand im Labor von Nancy Keller, Professorin für medizinische Mikrobiologie und Immunologie. „Als wir mehr über die Gene erfuhren, die diese coolen Naturprodukte herstellen, entwickelten wir Algorithmen, die nach ihnen suchen, Ziele finden und den Prozess viel effizienter gestalten konnten.“
Auch diese Methode stieß auf gewisse Schwierigkeiten, da die Algorithmen nur bestimmte Arten von Genen im Auge hatten.
„Die wichtigsten Algorithmen zur Suche nach Naturstoffen funktionieren hervorragend, konzentrieren sich jedoch auf Gene, die mit drei kanonischen Grundenzymen zusammenhängen“, sagt Keller. „Diese Algorithmen wurden schrittweise verbessert, aber man kann dieselben Genome nur so oft nach ähnlichen Genen durchsuchen, bevor man wieder dieselben Dinge entdeckt.“
Im Jahr 2005 sequenzierte eine Forschergemeinschaft das Genom von Aspergillus fumigatus, einem Pilz, der Menschen mit geschwächtem Immunsystem infizieren kann.
„Bei der ersten Sequenz standen mir die Haare auf den Armen“, sagt Keller. „Es gab so viele Cluster von Genen des Typs, der diese Grundenzyme bildet, die interessante Sekundärmetaboliten produzieren. Ich sagte: ‚Oh! Es gibt viel mehr Naturstoffe in Pilzen, als wir jemals hätten ahnen können.‘“
In späteren Untersuchungen entdeckte Kellers Labor mindestens eine Gruppe von Genen, die an biochemischen Prozessen beteiligt sind, die auf einem Grundenzym namens Isocyanidsynthase basieren, das nicht zu den drei „kanonischen“ Enzymen gehört, die als häufige chemische Arbeitspferde bei Bakterien und Pilzen bekannt sind.
Diesen Monat veröffentlichten Nickles, Keller und Mitarbeiter eine neue Studie in der Zeitschrift Nukleinsäureforschung Darin beschreiben sie einen neuen Algorithmus, den sie entwickelt haben, um Pilzgenome nach Gengruppen zu durchsuchen, die als biosynthetische Gencluster bezeichnet werden und für ihre Arbeit Isocyanid synthetisieren.
„Ich ließ den neuen Algorithmus auf jedem Pilzgenom laufen, das ich im Internet finden konnte – etwa 3.300 Arten – und stellte fest, dass dies die fünftgrößte Klasse von Naturprodukten ist, die von Pilzen produziert werden“, sagt Nickles. „Und es war vor dieser Studie fast völlig unsichtbar.“
Mehr als 1.300 Pilzarten verfügen über Gencluster, die sich auf die Isocyanidchemie konzentrieren.
„Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Gencluster etwas produzieren, das für den Pilz nützlich ist, sonst wäre es schwer zu erklären, warum diese Gene so häufig vorkommen und im Genom so vieler Arten erhalten bleiben“, sagt Milton Drott, Co-Autor der neuen Studie und ehemaliges Mitglied von Kellers Labor, das jetzt als Pflanzenpathologe im Cereal Disease Lab des US-Landwirtschaftsministeriums arbeitet. „Was wir erstellt haben, ist ein Atlas dieser Gencluster. Man kann dort interessante Muster erkennen, die darauf hinweisen, wo man zuerst nach signifikanten Funktionen suchen sollte.“
Ganz oben auf Kellers Liste stehen Cluster, bei denen es sich bei den umgebenden Genen um solche handelt, von denen bekannt ist, dass sie Enzyme für verschiedene Zwecke anpassen oder sie an bestimmte Orte transportieren, oder um „Promotor“-Gene, die je nach den Bedingungen in ihren Zellen den Schalter für die Enzymproduktion ein- oder ausschalten.
„Wir suchen nach Einzigartigkeit“, sagt Keller, Mitbegründer des Unternehmens Terra Bioforge, das nützliche Naturprodukte herstellt, die in Mikroben entdeckt werden. „Einzigartige Kombinationen von Mitgliedsgenen in einem Cluster können uns etwas über die Aktivität der Struktur verraten. Aber ich erwarte, dass wir nicht die Einzigen sein werden, die suchen.“
Die Forscher katalogisierten ihre Pilzfunde auf einer durchsuchbaren Website erstellt von Co-Autor Brandon Oestereicher, was bedeutet, dass viele andere Labore nicht einmal eine algorithmische Suche durchführen müssen – ein ressourcenintensiver Prozess, der die Hilfe des High Throughput Computing Center der UW-Madison erforderte.
„Labore mit einer Lieblingspilzart – das ist für Leute in unserem Fachgebiet nicht ungewöhnlich, dass sie sich auf eine Art oder einen engen Artenbereich konzentrieren – können ihre Art auf der Website nachschlagen und genügend Informationen über die Gencluster erhalten, um ihre eigene Arbeit an Isocyaniden zu beginnen“, sagt Drott.
Diese Forschung könnte natürliche Verbindungen mit großem Nutzen für die Gesellschaft aufdecken – antibakterielle Medikamente, Pestizide, neue Katalysatoren für die industrielle und pharmazeutische Chemie –, aber die Produkte und Zwecke dieser neuen biologischen Chemie sind noch weitgehend unbekannt. Drotts Labor untersucht Mitglieder der Pilzgattung Fusarium, die in Getreide wie Gerste und Weizen Fäulnis verursachen. Sie verfügen auch über Isocyanid-Biosynthese-Gencluster.
„Das ist spannend für unsere Arbeit, weil diese Gencluster möglicherweise eine Rolle bei dieser Pathogenität spielen und einen Weg zur Kontrolle des Krankheitserregers bieten könnten“, sagt Drott. „Wir wissen jedoch so wenig darüber, was Isocyanide bewirken können, dass wir einfach nicht wissen, was wir finden werden. Zumindest wissen wir jetzt, wo wir mit der Suche beginnen sollen.“
Mehr Informationen:
Grant R. Nickles et al., Suche nach einer neuen Klasse pilzlicher Naturstoffe: die Evolution, Diversität und Verteilung von Isocyanid-Synthase-Biosynthese-Genclustern, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad573