Potential of Endophytic Fungi from Orobanche spp. as Novel Sources of L-Asparaginase, an Enzyme with Anticancer Applications

In der verborgenen Welt im Inneren gesunder Pflanzen leben winzige Pilze als stille Nachbarn, die den Raum mit ihren Wirten teilen, ohne Schaden anzurichten. Dies sind Endophyten, eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroorganismen, die entwickelt haben, eine breite Palette chemischer Werkzeuge zu produzieren, um zu überleben und zu gedeihen. Zu den vielen Substanzen, die diese Pilze erschaffen, gehören Enzyme, welche biologische Maschinen sind, die spezifische chemische Reaktionen beschleunigen. Ein solches Enzym, bekannt als L-Asparaginase, ist zu einem entscheidenden Werkzeug in der modernen Medizin geworden. Es arbeitet, indem es einen spezifischen Baustein von Proteinen namens L-Asparagin abbaut. Während die meisten Zellen im menschlichen Körper ihre eigene Versorgung mit diesem Baustein herstellen können, können bestimmte Krebszellen, insbesondere solche, die an einer Art von Blutkrebs namens akute lymphoblastische Leukämie beteiligt sind, dies nicht. Sie verlassen sich vollständig darauf, diesen Baustein aus dem Blut zu stehlen. Durch die Einführung des Enzyms in das System eines Patienten können Ärzte diesen essenziellen Nährstoff entziehen, was dazu führt, dass die Krebszellen verhungern und absterben, während gesunde Zellen weitgehend unbeeinflusst bleiben. Derzeit produziert die medizinische Industrie dieses lebensrettende Enzym primär aus Bakterien, aber diese bakteriellen Versionen können bei Patienten manchmal schwere allergische Reaktionen oder andere Nebenwirkungen auslösen, was Wissenschaftler dazu veranlasst, nach sanfteren, kompatibleren Quellen zu suchen.

Ein Forschungsteam der Universität Zanjan im Iran richtete seine Aufmerksamkeit auf einen ungewöhnlichen und oft übersehenen Wirt für diese mikroskopischen Nachbarn: die Vollschmarotzer-Pflanze Broomrape (Reichermus). Im Gegensatz zu den meisten Pflanzen, die aus dem Boden wachsen, ist Broomrape ein Holoparasit, was bedeutet, dass sie weder eigene Blätter noch Wurzeln besitzt und ausschließlich über das Anheften an die Wurzeln anderer Nutzpflanzen überlebt und deren Nährstoffe stiehlt. Aufgrund dieses einzigartigen und stressreichen Lebensstils könnten die in Broomrape lebenden Pilze spezielle Fähigkeiten entwickelt haben, um mit ihrer Umgebung zurechtzukommen. Die Forscher sammelten Proben gesunder Broomrape-Pflanzen aus landwirtschaftlichen Feldern im Nordwesten des Irans und reinigten sie sorgfältig, um oberflächlichen Schmutz oder Bakterien zu entfernen. Sie schnitten dann die Pflanzenstiele in kleine Stücke und platzierten sie auf einem nährstoffreichen Gel, um zu sehen, ob irgendwelche Pilze aus dem Inneren herauswachsen würden. Aus 300 Pflanzenproben isolierten sie erfolgreich Dutzende verschiedener Pilzstämme und gruppierten sie schließlich basierend auf ihrem Erscheinungsbild unter dem Mikroskop in 34 verschiedene Typen.

Um herauszufinden, welche dieser Pilze das krebsbekämpfende Enzym produzieren konnten, verwendeten die Wissenschaftler zuerst einen einfachen visuellen Test. Sie züchteten die Pilze auf einer speziellen Platte, die L-Asparagin und einen pH-Indikatorfarbstoff enthielt. Wenn ein Pilz das Enzym produziert, würde er das Asparagin abbauen und Ammoniak freisetzen, was die Umgebung von Gelb nach Rosa verfärben würde. Etwa 20 der 34 Pilztypen erzeugten diese rosa Halos, was darauf hindeutete, dass sie fähig waren, das Enzym herzustellen. Die Forscher wussten jedoch, dass ein großer rosa Kreis auf einer Platte nicht immer bedeutet, dass eine große Menge des Enzyms produziert wird. Um das wahre Maß zu erhalten, überführten sie die vielversprechendsten Kandidaten in Flüssigkulturen und nutzten eine chemische Methode, um präzise zu zählen, wie viel Ammoniak freigesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigten eine breite Spanne an Aktivität. Während einige Pilze sehr wenig produzierten, stachen vier spezifische Stämme als die produktivsten hervor. Unter ihnen produzierte ein Pilz, der als Alternaria longipes identifiziert wurde, speziell ein Stamm mit der Bezeichnung SH25, die höchste Menge an Enzym und erreichte 5,79 Einheiten pro Milliliter. Dies war signifikant mehr als die anderen Spitzenreiter, zu denen Arten wie Macrophomina phaseolina und Aspergillus flavus gehörten.

Das Team konzentrierte sich dann auf den Spitzenreiter, den Alternaria longipes SH25, um zu sehen, ob sie ihn dazu bringen könnten, noch mehr Enzym zu produzieren, indem sie seine Umgebung veränderten. Sie testeten, wie die Menge der verfügbaren Nahrung und der Säuregehalt der Flüssigkeit die Produktion beeinflussten. Sie fanden heraus, dass der Pilz am meisten Enzym produzierte, wenn die Flüssigkeit leicht sauer war und eine spezifische Konzentration an L-Asparagin enthielt. Unter diesen optimierten Bedingungen stieg der Enzymertrag auf 5,95 Einheiten pro Milliliter. Die Forscher prüften auch, wie gut das Enzym gegenüber Hitze beständig war, ein entscheidender Faktor für die industrielle Nutzung. Sie fanden heraus, dass das Enzym bei moderaten Temperaturen sehr stabil blieb und nach einer halben Stunde bei 3ce Celsius fast seine gesamte Aktivität behielt und nach zwei Stunden immer noch etwa zwei Drittel seiner Kraft besaß. Dies deutet darauf hin, dass das Enzym robust genug ist, um in einem Fertigungsprozess gehandhabt zu werden, ohne sofort abzubauen.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die parasitäre Broomrape-Pflanze eine reiche, jedoch bisher unerschlossene Quelle für Pilze ist, die in der Lage sind, dieses lebenswichtige Enzym zu produzieren. Die Entdeckung des hochleistungsfähigen Alternaria longipes-Stammes bietet eine potenzielle neue Alternative zu den bakteriellen Quellen, die derzeit in der Medizin verwendet werden. Während die bakteriellen Versionen bei einigen Patienten Immunreaktionen auslösen können, werden pilzliche Enzyme oft als kompatibler mit dem menschlichen Körper angesehen, obwohl weitere Tests notwendig sind, um diesen Vorteil zu bestätigen. Die Forscher merkten an, dass die Größe des rosa Halos auf den ursprünglichen Testplatten kein zuverlässiger Vorhersagewert dafür war, wie viel Enzym der Pilz tatsächlich in einer Flüssigkultur produzieren würde, was die Bedeutung präziser chemischer Messungen gegenüber visuellen Vermutungen unterstreicht. Durch die Isolierung und Identifizierung dieser Pilze mittels Gensequenzierung bestätigte das Team ihre Identität und stellte eine klare Verbindung zwischen dieser spezifischen Pilzart und ihrer Fähigkeit zur Enzymproduktion her. Diese Arbeit öffnet eine neue Tür für die Biotechnologie und legt nahe, dass selbst unsere ungewöhnlichsten Pflanzen in den Feldern potenzielle mikroskopische Verbündete beherbergen können, die fähig sind, im Kampf gegen Krankheiten zu helfen.