Characterization of the lysine forming saccharopine dehydrogenase LYS1 from filamentous fungi for plant food fermentation

Stellen Sie sich vor, Ihr Körper wäre eine geschäftige Stadt und die Nahrung, die Sie essen, wäre das Rohmaterial, das in die Fabriken geliefert wird. Um die Stadt am Laufen zu halten, müssen diese Fabriken spezifische, Hochleistungsteile namens Aminosäuren bauen. Eines der kritischsten Teile ist Lysin, ein essenzieller Baustein, den Ihr Körper nicht selbst herstellen kann und den Sie daher aus Ihrer Nahrung gewinnen müssen. Während Pflanzen und Bakterien ihre eigenen Baupläne zur Herstellung von Lysin haben, nutzen Pilze (das Reich, zu dem auch Pilze, Schimmel und Hefen gehören) einen einzigartigen, geheimen Tunnel namens „Alpha-Aminoadipat-Weg“. Am Ende dieses Tunnels befindet sich ein Meistermechaniker, ein Enzym namens LYS1. Betrachten Sie LYS1 als einen spezialisierten Roboterarm, der ein unordentliches, halbfertiges Molekül namens Saccharopin packt und es in die perfekte Form von Lysin schnappt. Dieser Prozess ist umkehrbar, was bedeutet, dass der Roboter auch Lysin wieder auseinandernehmen kann, aber normalerweise bevorzugt er den Aufbau, wenn die Umgebung genau richtig ist.

Warum ist das für Sie wichtig? Weil wir zunehmend auf Pilze angewiesen sind, um pflanzliche Lebensmittel in köstliche, nahrhafte Mahlzeiten wie Tempeh, Miso und pflanzlichen Käse zu verwandeln. Um diese Lebensmittel besser zu machen, wollen Wissenschaftler genau verstehen, wie diese pilzlichen Roboter funktionieren. Wenn wir wissen, welche Pilze die besten Mechaniker sind und wie sie sich verhalten, können wir bessere Fermentationsprozesse entwickeln, um den Nährwert unserer Lebensmittel zu steigigen. Diese Arbeit taucht tief in die Mechanik des LYS1-Roboters ein und vergleicht die berühmte Hefe-Version (die Wissenschaftler jahrelang untersucht haben) mit den Versionen, die in „filamentösen“ Pilzen zu finden sind – jenen flauschigen, fadenförmigen Schimmelpilzen, die wir tatsächlich zur Herstellung unserer Lebensmittel verwenden.

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Das große Pilz-Roboter-Rennen

Die Forscher in dieser Studie beschlossen, vier verschiedene Versionen des LYS1-Roboterarms einem Test zu unterziehen. Sie wählten die klassische Version von Saccharomyces cerevisiae (der Bäckerhefe, die wir alle kennen) und verglichen sie mit drei Schwergewichten der Lebensmittelwelt: Aspergillus nidulans, Penicillium roqueforti (dem Schimmelpilz, der Blauschimmelkäse seinen Geschmack verleiht) und Rhizopus microsporus (dem Schimmelpilz, der Tempeh herstellt). Ihr Ziel war es zu sehen, ob diese lebensmittelproduzierenden Pilze dieselbe „Persönlichkeit“ wie der Heferoboter hatten oder ob sie anders gebaut waren.

Zuer Sie sich zuerst die Baupläne (die DNA-Sequenzen) und die 3D-Formen dieser Roboter an. Es stellt sich heraus, dass die Roboter äußerlich fast identisch aussehen – wie vier verschiedene Modelle desselben Autos mit demselben Motorblock –, aber ihre interne Verkabelung und Lackierung sich erheblich unterscheiden. Die Aspergillus- und Penicillium-Roboter waren wie Cousins, sehr ähnlich zueinander, während der Rhizopus-Roboter ein entfernter Verwandter mit einem etwas anderen Design war. Trotz dieser Unterschiede waren die kritischen Teile des Roboters, die tatsächlich die Arbeit verrichten (die katalytischen Rückstände), über alle Spezies hinweg perfekt erhalten. Es ist, als hätten alle vier Autos das gleiche Lenkrad und die gleichen Pedale, selbst wenn das Armaturenbrett anders aussieht.

Das Stimmungsbarometer des pH-Werts

Die erstaunlichste Entdeckung war, wie sehr die Stimmungen der Roboter vom „Wetter“ ihrer Umgebung abhingen, insbesondere vom pH-Wert (wie sauer oder alkalisch die Lösung ist). Die Forscher fanden heraus, dass diese Roboter unglaublich wählerisch in Bezug auf die Richtung sind.

Wenn die Wissenschaftler wollten, dass der Roboter Lysin baut (die Vorwärtsreaktion), arbeitete der Roboter nur dann gut, wenn die Umgebung alkalisch war, etwa wie eine starke Seifenlösung. Die Aktivität erreichte ihren Höhepunkt bei einem pH-Wert von 9. Wenn sie jedoch wollten, dass der Roboter Lysin wieder auseinandernimmt (die Rückwärtsreaktion), bevorzugte der Roboter einen neutralen pH-Wert um 7. Es ist wie eine Tür, die nur leicht aufschwingt, wenn man sie von der sonnigen Seite drückt; wenn man versucht, sie von der schattigen Seite zu drücken, bewegt sie sich kaum.

Interessanterweise merkt die Arbeit an, dass die Roboter selbst dann, wenn die Bedingungen ideal für den Aufbau von Lysin waren, immer noch viel schneller darin waren, es wieder zu zerlegen. Die Rückwärtsreaktion war konsistent schneller als die Vorwärtsreaktion. Die Autoren legen nahe, dass dies kein Fehler, sondern ein Merkament der Physik ist: Die Gesetze der Thermodynamik machen den Aufbau von Lysin aus dem Nichts energetisch „teuer“, sodass der Roboter natürlich die günstigere, umgekehrte Richtung bevorzugt. Um den Roboter effizient Lysin bauen zu lassen, muss die Zelle wahrscheinlich die Umgebung sehr sorgfältig kontrollieren, indem sie vielleicht den pH-Wert hoch hält und die Zutaten schnell nachfließen lässt.

Die Speed-Dämonen vs. die Schnecken

Als das Team maß, wie schnell jeder Roboter arbeiten konnte, waren die Ergebnisse eine Geschichte von zwei Städten. Der Saccharomyces cerevisiae (Hefe)-Roboter war der klare Speed-Dämon und produzierte Produkte mit einer Rate von 2,34 pro Sekunde. Die Aspergillus- und Penicillium-Roboter folgten dicht darauf und arbeiteten mit etwa 1,89 bzw. 1,63 pro Sekunde.

Aber dann war da der Rhizopus microsporus-Roboter. Dieser war eine totale Schnecke und arbeitete in einem gleitenden Tempo von nur 0,05 pro Sekunde. Das ist etwa 40- bis 50-mal langsamer als die Hefeverion! Die Arbeit legt nahe, dass dies nicht daran liegt, dass der Rhizopus-Roboter die Zutaten nicht greifen kann (er hält sie tatsächlich fest umschlossen), sondern weil er mitten in der Arbeit stecken bleibt. Es ist wie ein Arbeiter, der die Teile perfekt greift, dann aber Schwierigkeiten hat, sie zu montieren, und ewig braucht, um die Aufgabe zu vollenden.

Der virtuelle Film: Warum ist Rhizopus so langsam?

Um herauszufinden, warum der Rhizopus-Roboter so langsam war, haben die Wissenschaftler nicht nur in einem Reagenzglas zugeschaut; sie erstellte einen virtuellen Film des Roboters mittels Computersimulationen. Sie beobachteten den Tanz des Roboters mit seinen Zutaten (NAD+ und Saccharopin) in einer digitalen Welt.

Sie entdeckten, dass die schnellen Roboter (Saccharomyces und Aspergillus) sehr gut darin waren, in die perfekte Pose zu „tanzen“. In der Simulation brachten diese Roboter ihre Zutaten häufig so in Position, dass der Abstand zwischen ihnen genau richtig für die chemische Reaktion war (etwa 3,6 Ångström auseinander). Der Rhizopus-Roboter hingegen war ein tollpatschiger Tänzer. Er brachte sich selten in die perfekte Position. Selbst wenn er es tat, hielt er die Zutaten nicht so fest oder so organisiert wie die anderen.

Die Simulationen zeigten, dass die schnellen Roboter starr und stabil waren und ihre Form gut hielten, während der Rhizopus-Roboter etwas zu wackelig und flexibel war. Diese mangelnde Stabilität bedeutete, dass er die Zutaten nicht lange genug im „Sweet Spot“ halten konnte, um die Aufgabe schnell zu erleden. Die Autoren vermuten, dass der Rhizopus-Roboter eine spezifische Substitution in seinem Design (einen Austausch einer Aminosäure) besitzt, die die Kontaktpunkte in der Nähe des Reaktionsortes stört und es dem Roboter erschwert, die Zutaten fest zu verankern.

Das Fazit

Was bedeutet das also für Ihre pflanzlichen Lebensmittel? Die Studie bestätigt, dass zwar alle diese Pilze denselben grundlegenden Bauplan verwenden, um Lysin herzustellen, sie aber nicht alle gleich gut sind. Der Rhizopus-Pilz, berühmt für die Herstellung von Tempeh, besitzt eine Version des LYS1-Roboters, die beim Aufbau von Lysin signifikant langsamer und weniger effizient ist als die Versionen von Aspergillus oder Penicillium.

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass diese Langsamkeit ein „Engpass“ in der Fabrikationslinie von Rhizopus sein könnte. Wenn Sie pflanzliche Lebensmittel mit höherem Lysingehalt herstellen wollen, müssen Sie vielleicht über Rhizopus hinausblicken oder einen Weg finden, seine Umgebung anzupassen, um seinem trägen Roboter zu helfen, schneller zu arbeiten. Die Forschung bietet keine magische Lösung, aber sie liefert eine klare Karte darüber, warum einige Pilze besser in diesem Job sind als andere, und zeigt auf, dass der Unterschied darin liegt, wie gut der Roboter seine Zutaten in der perfekten Position halten kann, um die Arbeit zu erledigen.