Forschungsteam der Uni Jena entdeckt einen bislang unbekannten Stoffwechselweg in Pilzen, der das Ergebnis konvergenter Evolution ist.

Was Vorteile bringt, setzt sich langfristig durch. So lässt sich – stark vereinfacht – das Prinzip der Evolution formulieren, nach dem sich Organismen ihrer Umgebung bestmöglich anpassen. Und dabei führen Anpassungsprozesse in unterschiedlichen Organismengruppen oft zu ganz ähnlichen oder identischen Ergebnissen, wenn es die Umgebung erfordert. Diese „konvergente Evolution“ hat beispielsweise die gleichen stromlinienförmigen Körper von Fischen und Meeressäugern, z. B. Delphinen, hervorgebracht. Sie lässt sich aber auch an vielen Beispielen auf molekularer oder Stoffwechselebene finden.

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Ein neues, bislang unbekanntes Beispiel konvergenter Evolution hat ein Forschungsteam aus dem Institut für Pharmazie der Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut – jetzt gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Universität Freiburg/i. Br. in der Pilzgattung der Schleierlinge aufgespürt.

Ein Schleierling der Art Cortinarius odorifer (deutsch: Anis-Klumpfuß). (Foto: Dirk Hoffmeister/Universität Jena)
Ein Schleierling der Art Cortinarius odorifer (deutsch: Anis-Klumpfuß). (Foto: Dirk Hoffmeister/Universität Jena)

Die Forschenden fanden heraus, dass die Pilze bestimmte Naturstoffe, die Anthrachinone, produzieren und dafür einen ganz eigenen Stoffwechselweg entwickelt haben. Seine Ergebnisse legt das Team um den Mykologen Prof. Dr. Dirk Hoffmeister von der Uni Jena in der aktuellen internationalen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Angewandte Chemie vor.

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Schleierlinge produzieren eine Vielzahl von Naturstoffen

„Die Schleierlinge sind eine der artenreichsten Gattungen der Pilze überhaupt“, sagt Dirk Hoffmeister. Etwa 2.000 Arten gibt es weltweit, allein in Mitteleuropa kommen rund 500 Arten vor. „Und auch hier bei uns in Mitteldeutschland können wir im Herbst zahlreiche Schleierlingsarten mit ihren farbenprächtigen Fruchtkörpern finden,“ so Hoffmeister weiter. Für Pilzsammler seien die Schleierlinge allerdings weniger interessant, denn die meisten Arten sind ungenießbar, etliche giftig, einige tödlich.

Und das hat einen Grund: „Schleierlinge sind begnadete Chemiker“, bringt es Pilz-Experte Hoffmeister auf den Punkt. Sie produzieren eine Vielzahl an Naturstoffen, darunter auch die sogenannten Anthrachinone. „Das sind intensiv farbige und oftmals toxische Verbindungen, die von den Pilzen in großer Diversität hergestellt werden“, so Hoffmeister weiter.

Im „Anis-Klumpfuß“ sechs neue Enzym-Gene entdeckt

Auch Bakterien, Pflanzen und Schimmelpilze können Anthrachinone herstellen und haben dafür unterschiedliche Stoffwechselwege entwickelt. Dirk Hoffmeister und sein Team haben in der vorliegenden Arbeit untersucht, wie nun Schleierlinge der Art Cortinarius odorifer (deutsch: Anis-Klumpfuß) Anthrachinone produzieren. Dafür haben sie im Genom des Pilzes nach Genen für Enzyme gesucht, die andere Pilze zur Produktion der chemischen Vorläufer dieser Substanzen nutzen. „Zu unserer Überraschung konnten wir die Gene, nach denen wir gesucht haben, jedoch nicht finden“, sagt Dirk Hoffmeister. Stattdessen entdeckten die Forschenden Gene für bislang unbekannte Enzyme, die ebenfalls die Synthese der Anthrachinon-Vorläufer katalysieren können.

Doktorand Nikolai Löhr ist Erstautor der Studie. Er zeigt Anthrachinon-Verbindungen, die ihre Farbe und Löslichkeit verändern, je nach pH-Wert der Umgebung. Oben: unter sauren Bedingungen in organischer Lösung. Unten: in alkalischer, wässriger Lösung. (Foto: Jens Meyer/Universität Jena)
Nikolai Löhr, Doktorand der Arbeitsgemeinschaft Pharmazeutische Mikrobiologie und Erstautor der Studie, zeigt Anthrachinon-Verbindungen im organischen Lösungsmittel in einem Versuchsaufbau am 07.03.2022 am Institut für Pharmazie der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Jena. Das Forschungsteam der Uni Jena entdeckt einen bislang unbekannten Stoffwechselweg in Pilzen, der das Ergebnis konvergenter Evolution ist, also der unabhängigen Ausbildung gleicher Eigenschaften auf unterschiedlichen wegen. Dies können sichtbare Eigenschaften sein. Sie lässt sich aber auch an vielen Beispielen auf molekularer oder Stoffwechselebene finden. Seine Ergebnisse legt das Team in der aktuellen internationalen Ausgabe des Fachmagazins Angewandte Chemie vor. Foto: Jens Meyer/Universität Jena

Dass sie damit tatsächlich einen neuen Stoffwechselweg entdeckt haben, konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, indem sie die neu entdeckten Gene aus dem Schleierling in eine Schimmelpilzart übertrugen. Mit den neuen Genen zeigte sich in den Schimmelpilzen die gleiche Enzymaktivität wie in den Schleierlingen, und folgerichtig wurden die Schimmelpilze farbig.

Warum sich in der Evolution der Schleierlinge ein eigener Stoffwechselweg entwickelt hat, das bleibe noch zu beantworten. „Es muss einen großen Druck in der Entwicklung des Lebens gegeben haben, wenn verschiedenste Organismengruppen völlig unabhängig voneinander und auf unterschiedlichen Wegen gelernt haben, Anthrachinone herzustellen“, so Hoffmeister.

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Info, Ute Schönfelder // UNI Jena 
Fotos: Schleierling – Dirk Hoffmeister // UNI Jena  und Doktorand Nikolai Löhr – Jens Meyer // UNI Jena