Cladosporium sphaerospermum
Einleitung
Cladosporium Sphaerospermum ist ein kosmopolitischer Saprob-Pilz, der eine Vielzahl von Umgebungen bewohnt. Überwiegend in der Luft, Es kommt in der Innen- und Außenluft vor und wird nicht nur von Wohnungen und Pflanzen, sondern auch von Menschen entnommen . Als halotoleranter Mikroorganismus gedeiht C. sphaerospermum in Gebieten mit hohem Salzgehalt. Es kann sich auch in Gebieten mit mäßigem und niedrigem Salzgehalt vermehren . Die phylogenetische Analyse der RNA legt nahe, dass C. sphaerospermum eine komplexe Pilzart ist, die eine Reihe verschiedener Stämme umfasst. Neuere Studien zeigen, dass C. sphaerospermum, ein infektiöser und allergener anthropologischer Pilz , in Gebieten mit hoher Radioaktivität überleben und gedeihen und die Strahlenbelastung verringern kann . Darüber hinaus können auch industrielle Abgasemissionen, nämlich aromatische Kohlenwasserstoffe, Ketone und einige organische Säuren, durch C abgebaut werden. sphaerospermum , wodurch der Pilz ein potenzielles Modell zur Untersuchung natürlicher Biofiltrationsmechanismen darstellt. Darüber hinaus kann C. sphaerospermum möglicherweise ein Ersatz für chemische Düngemittel werden, da es Gibberelline produzieren kann , Pflanzenwachstumshormone, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen unerlässlich sind .
Genomstruktur
Obwohl eine Reihe von Stämmen von C. sphaerospermum entdeckt wurden, wurde nur einer sequenziert. C. sphaerospermum UM843 wurde aus menschlicher Blutkultur isoliert und das Genom 2012 sequenziert. Es ist in der Nähe von 31.92Mb . Das Genom besteht aus insgesamt 10.020 Genen, wobei etwa 94% für Proteine mit mehr als 100 Aminosäuren kodieren. Die Exonfrequenz im vorgeschlagenen Modell betrug 2,26 Exons pro Gen. Unter den im Gnom nachgewiesenen Genen befanden sich Gene, die mit menschlichen Allergenen assoziiert waren, die Gene für Asenolase, Aldehyddehydrogenase und Mannit-Dehydrogenase. Einige der im Genom von C. sphaerospermum gefundenen Gene sind mit der Resistenz gegen die Antimykotika Fluconazol, Chinidin und Fluorocytosin verbunden. Das Genom enthält auch Sequenzen, die für die Schlüsselenzyme im Melaninbiosyntheseweg kodieren .
Zellstruktur
Dickwandige Flagellatzellen dieses Pilzes bilden ein Dikaryon, in dem nach zytoplasmatischer Fusion zweier Zellen (Plasmogamie) die beiden Kerne ohne Fusion zusammenleben. Dikaryotische Zellen sind am häufigsten für die ascogenen Hyphen und den Ascocarp des Pilzes, wodurch der Rest der Myzelien monokaryotisch wird. Die Sporen von C. sphaerospermum haben unterschiedliche Formen und werden durch eine apikale Pore freigesetzt . Bei Vergrößerung scheint der Pilz baumartige Strukturen zu bilden, die hauptsächlich aus verzweigten Ketten dunkler runder Konidien bestehen. Obwohl Konidien einen Durchmesser von 3-4, 5 µm haben und oft einzellig sind, bilden sie häufig Ketten durch Knospen, wobei die jüngste Zelle an der Spitze der Kette verbleibt . Die älteren Konidien können länglich oder schildförmig werden und eine Länge von 15 µm erreichen. Beim Knospen werden C. sphaerospermum-Konidien häufig einer Septation unterzogen und können folglich zahlreiche Einschnürungsnarben aufweisen. Bei 30°C bildet sich Cladosporium sphaerospermum 1.0 cm Durchmesser pulverisierte dunkelgraue / grün gefärbte Kolonien, die wie Kuppeln aussehen .
Stoffwechselprozesse
C. sphaerospermum verwendet als Saccharaomycete verschiedene Stoffwechselenzyme, um Glucose, Saccharose und Stärke in Kohlendioxid und Alkohol umzuwandeln . Einige der C. sphaerospermum-Stämme verwenden jedoch verschiedene Arten von metabolischen Anpassungen, um extremen Umgebungen standzuhalten. Halotolerant C. sphaerospermum erhöht beispielsweise die Aktivität der extrazellulären Invertase, wenn es in der Umgebung mit hohem Salzgehalt gezüchtet wird . Andere Enzyme, die die Aktivität in solchen Umgebungen erhöhen, sind Fructose-1,6-Diphosphat-Aldolase, Isocitrat-Lyase und cytosolische Malat-Dehydrogenase. Die adaptive Reaktion von C. sphaerospermum erstreckt sich auf seine Fähigkeit, auf Toluol als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle zu wachsen . Tatsächlich ist C. sphaerospermum der erste eukaryotische Organismus, von dem berichtet wurde, dass er Toluol als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle abbaut. C. sphaerospermum ist auch ein Produzent von Sekundärmetaboliten. Unter ihnen sind Citrinin, Chinolactacin A1 und A2, Oxylipine und Melanin . Es ist sehr wahrscheinlich, dass aufgrund der Produktion von Citrinin, einem Mykotoxin, einige Stämme von C. sphaerospermum als Pflanzenpathogene gelten, da Citrinin Chromosomenbruch, Modifikation der Aminosäureaufnahme, Hemmung der Samenkeimung und Polyploidie in Pflanzen verursacht . Chinolactacine sind bekannte Tumornekrosefaktorinhibitoren . Die Funktion von Chinolactacinen in C. sphaerospermum ist jedoch nicht klar. Oxylipine oder oxidierte Fettsäuren umfassen Prostaglandine, die für die Kommunikation und Lebensfähigkeit von Pilzzellen essentiell sind .
Melaninstoffwechsel.
Melanin ist einer der Sekundärmetaboliten von C. sphaerospermum. Es bietet Schutz vor ultraviolettem Licht und Oxidationsmitteln sowie erleichtert die Pilzproliferation in Bereichen mit hoher Strahlung . Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Melanin von C. sphaerospermum metabolisiert wird – nur zum Schutz, da einige Mikroorganismen die Exposition gegenüber hoher Strahlung unabhängig von der Melanisierung überleben können. Mechanismen der Melaninsynthese in C. sphaerospermum sind chemisch vielfältig und noch nicht gut verstanden. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass dieser Pilz Melanin aus einem endogenen Substrat über ein 1,8-Dihydroxynaphthalin (DHN) -Zwischenprodukt produziert . Neuere mikroskopische Studien zeigen, dass granuliertes Melanin an der Zellwand lokalisiert ist, wo es an der Vernetzung mit Polysacchariden beteiligt ist. Es ist wahrscheinlich, dass die inneren Vesikel, die Säugetiermelanosomen ähnlich sind, die Stellen der Melaninsynthese in C. sphaerospermum sind. Melanin wird über diese Vesikel zur Zellwand transportiert .
Die Verwendung ionisierender Strahlung.
Angesichts der jüngsten Unfälle in Kernkraftwerken, insbesondere in Tschernobyl im Jahr 1986, wurde entdeckt, dass C. sphaerospermum hohen Strahlungswerten standhalten und diese zu seinem Vorteil nutzen kann. Die Produktion von Melanin durch den Pilz hängt mit seiner Fähigkeit zusammen, Gebiete mit hoher radioaktiver Kontamination zu besiedeln . Darüber hinaus kann C. sphaerospermum in Gegenwart von Strahlung sowohl auf hohen Nährmedien als auch auf minimalen Nährmedien gedeihen. Studien, die mit Proben aus Tschernobyl durchgeführt wurden, zeigen, dass die Veränderung der elektronischen Eigenschaften von Melanin die Pilzproliferation induziert . Nach Bestrahlung verändert sich die elektronische Struktur des Melanins. Sie zeigten auch, dass die Fähigkeit von Melanin, Elektronen in der NADH-Oxidations- / Reduktionsreaktion zu übertragen, um das 4-fache zunahm . Die stabilen freien Radikale im Melanin können mit energiereichen Elektronen interagieren, die die Pilz-DNA schädigen können. Die Wechselwirkung der durch Gammastrahlung erzeugten freien Radikale mit den stabilen Radikalen im Melanin schützt die DNA vor Strahlenschäden, da das Eindringen der freien Radikale in die Zelle verhindert wird, da Melatonin an der Zellwand und im extrazellulären Raum lokalisiert ist . Darüber hinaus wuchsen die melanisierten Pilzzellen, die einer Strahlung ausgesetzt waren, die 500-fach höher war als die Hintergrundstrahlung, erheblich schneller als nichtmelanisierte Pilze oder die Zellen, die eine Hintergrundstrahlung erhielten. Zusätzliche Studien über die Auswirkungen von Strahlung auf C. sphaerospermum zeigen gerichtetes Wachstum des Pilzes in Richtung der Strahlungsquelle . Somit ist es möglich, dass C. sphaerospermum, erleichtert durch Melanin, ionisierende Strahlung einfangen und für metabolische Energie verwenden kann .
Abbau flüchtiger organischer Verbindungen.
Flüchtige organische Verbindungen (VOC’s), die von melanisierten Pilzen abgebaut werden, umfassen aromatische Kohlenwasserstoffe, Ketone und organische Säuren. Es wurde entdeckt, dass C. sphaerospermum seine Stoffwechselmaschinerie nutzen kann, um neun verschiedene VOC abzubauen . Beispielsweise kann Toluol, das für das zentrale Nervensystem von Mensch und Tier toxisch ist, vom Pilz abgebaut und als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle verwendet werden. In diesem Pilz wird Methylgruppe des Toluols zuerst angegriffen, um Benzoat über Hydroxylierung zu bilden. Durch die Verwendung von NADPH und O2 zur Oxidation von Toluol, Glycerin, EDTA, DTT und PMSF katalysiert Toluolmonooxygenase die Assimilation von Toluol durch den Pilz . Eine weitere Hydroxylierung von Benzoat zu 4-Hydrozybenzoat führt zur Bildung von Protocatechuat als Ringspaltungssubstrat. Benzol, Ethylbenzol, Styrol, Methylethylketon, Methylisobutylketon und Methylpropylketon sowie n-Butylacetat und Ethyl-3-ethoxypropionat können von C. sphaerospermum als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle verwendet werden.
Gibberellins Produktion.
Einer der Stämme von C. sphaerospermum kann aufgrund seiner Fähigkeit, Gibberelline, Pflanzenwachstumshormone, die für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen essentiell sind, zu produzieren, möglicherweise ein Ersatz für chemische Düngemittel werden . Es wurde gezeigt, dass neu identifizierte basierend auf 18s rDNA-Sequenz MH-6 Stamm von C. sphaerospermum ist ein endophytischer Pilz, der neun verschiedene Gibberelline produziert, die für die maximale Triebverlängerung in Pflanzen verantwortlich sind. Der Mechanismus, durch den Gibberelline von diesem Pilz produziert werden, muss noch aufgeklärt werden. Hamayun et al. stellten jedoch fest, dass der Biosyntheseweg von Gibberellinen in C. sphaerospermum dem von F. fujicori, einem bekannten Hersteller von Gibberellinen, ähnlich ist .
Ökologie
C. sphaerospermum ist eine komplexe Art, die in extremen und polaren Umgebungen wachsen kann. Dieser psychrotolerante, UV-beständige und halotolerante Pilz kann in der Antarktis überleben. Es kann auch bei 25-30 ° C in den Bereichen überleben, in denen einige der Stämme in Umgebungen mit niedrigem Salzgehalt isoliert wurden . Saprobe, C. sphaerospermum lebt auch in symbiotischen Beziehungen mit lebenden Pflanzen. Einige Stämme von C.sphaerospermum sind in der Lage, in Gebieten, die hohen ionisierenden Strahlen ausgesetzt sind, anzunehmen und zu gedeihen .
Pathologie
C. sphaerospermum ist eine der am häufigsten isolierten Luftschadstoffe. Einige der Stämme des Pilzes sind für Mensch und Tier nicht pathogen; sie sind jedoch schädlich für Pflanzen. Einige der Arten können beim Menschen zerebrale und kutane Phaehyphomykosen, Sinusitis und Peritonitis verursachen . Im Jahr 2003 wurde ein Fall einer Frau gemeldet, die eine intrabronchiale Läsion aufgrund von C. sphaerospermum entwickelte . Bei Tieren sind Haut und Lunge am stärksten von den Pilzinorganen betroffen. Zum Beispiel zeigten Mäuse, die dem Pilz ausgesetzt waren, systemische und subkutane Infektionen und sogar den Tod bei immungeschwächten Mäusen . C. sphaerospermum kann auch unregelmäßiges Verhalten in Red Snappers nach Infektion der Blase und Niere verursachen. Eledone cirrhosa, der kleinere Tintenfisch, ist auch nicht immun gegen Infektionen durch diesen Pilz .
Zukünftige Forschungsmöglichkeiten
- Da aus Pinicillium citrinum isoliertes Chinolactacin Al und Chinolactacin A2 die Acetylcholinesterase-Aktivität hemmen können, die mit der senilen Demenz bei Alzheimer-Patienten zusammenhängt (24), ist es möglich, dass aus C. sphaerospermum isoliertes Chinolactacin Al und Chinolactacin A2 auch in Studien an Patienten mit Alzheimer-Krankheit verwendet werden können. C. sphaerospermum-Stämme, die Chinolactacin Al und Chinolactacin A2 produzieren, könnten in radioaktiver Umgebung verwendet werden, um die Proliferation des Pilzes zu induzieren, um eine hohe Ausbeute der Metaboliten zu erhalten. Die Bestimmung, welche Auswirkungen solche Metaboliten auf Säugetierzellen haben würden, könnte ein Weg für die weitere Suche nach Heilung für die Alzheimer-Krankheit sein.
- Prostaglandin E2 (PGE2), eine hormonähnliche Verbindung, ist mit der Funktion der glatten Muskulatur und der Immunantwort beim Menschen verbunden (25). Da C. sphaerospermum Oxylipine produzieren kann, können einige seiner Stämme PGE2 synthetisieren. Dies könnte erklären, warum einige Personen allergisch auf den Pilz reagieren. Die Fähigkeit des Pilzes, PGE2 zu produzieren, muss noch bestimmt werden.
- Die Produktion von Gibberellinen durch C. sphaerospermum macht es zu einem potenziellen Dünger. Es ist jedoch nicht bekannt, ob eine solche Verwendung bei Säugetieren nachteilige oder vorteilhafte Reaktionen hervorrufen kann.
- In Anbetracht der Fähigkeit von C. sphaerospermum, ionisierende Strahlung zusammen mit seinem Metabolismus flüchtiger organischer Verbindungen zu wachsen und einzufangen, könnte dieser Pilz als universeller Bioradioremediator verwendet werden.
Herausgegeben von , Student von Jennifer Talbot für BI 311 Allgemeine Mikrobiologie, 2014, Boston University.
