13 BIOWISSENSCHAFTEN

Melanin

Das schwarze Gold der Pilze

Forschenden der Empa ist es gelungen, das Pigment Melanin in grossen Mengen aus Pilzen zu gewinnen. Der gigantische Hallimasch-Pilz im Dienste der Wissenschaft gehört zu den grössten Lebewesen der Welt. Die Anwendungen des «schwarzen Goldes» sind breit. Sie reichen von Holzschutzmitteln bis zum Bau von Musikinstrumenten und Wasserfiltern.

Andrea Six ¹

Seine Eigenschaften sind verblüffend und seine Anwendungen entsprechend vielfältig: Das Pigment Melanin, das beispielsweise die menschliche Haut vor schädigenden UV-Strahlen schützt (und uns eine sommerliche Bräune beschert), ist eine wahre Fundgrube für neue Materialien und Technologien. Zwar kommt der Wunderstoff in der Natur vor, im industriellen Massstab konnte das komplexe Biopolymer jedoch bis jetzt nur in teuren und aufwändigen Prozessen, bei denen nicht alle Eigenschaften reproduzierbar sind, künstlich hergestellt werden.

Ein Pigment gegen Umweltstress «Melanin» ist ein Oberbegriff für eine grosse Gruppe von farbgebenden Substanzen. Das Pigment Melanin verleiht unseren Haaren, Augen und der Haut ihre Farbe. Es kommt in Vogelfedern, Schafwolle und in der Tinte von Tintenfischen vor. Zudem verfügen Pflanzen, Pilze und selbst Bakterien über den Wunderstoff. Seine Aufgabe: den Organismus vor Stress aus der Umwelt schützen. Das Nachdunkeln der Haut bei Sonneneinstrahlung ist ein Beispiel dafür. Pilzen wiederum verleiht das Melanin eine noch erstaunlichere Fähigkeit: Sie können dank Melanin sogar Radioaktivität zur Energieerzeugung im eigenen Stoffwechsel nutzen.

Bild 1: Zorn in der Petrischale: Pilzkultur von Armillaria cepistipes. Dunkle Areale enthalten besonders viel Melanin.

Um ein Vielfaches teurer als Gold

Auch Prozesse, natürliches Melanin aus Mikroorganismen zu gewinnen, zeigten bisher eine geringe Ausbeute. Nicht verwunderlich also, dass die Substanz um ein Vielfaches teurer ist als Gold. Forschende der Empa haben nun Pilze dazu gebracht, das «schwarze Gold» in einem einfachen und hochskalierbaren Verfahren herzustellen. «Melanin verhält sich äusserst stabil gegenüber Umwelteinflüssen und ist nicht nur als Pigment, sondern auch weit darüber hinaus für die Entwicklung innovativer Komposit-Materialien interessant», sagt Francis Schwarze von der Empa-Abteilung «Cellulose & Wood Materials».

Der Melanin-Produzent im Wald

Auf der Suche nach einfacheren, günstigeren Verfahren zur Herstellung von na-

Bild 2: Schwarz wie Ebenholz: Tine Kalac wertet gewöhnliches Fichtenholz mit Melanin auf.

türlichem Melanin in grossen Mengen stiessen Schwarze und sein Team auf einen Pilz, der eigentlich als Pflanzenschädling im Wald zu finden ist: Armillaria cepistipes, der zwiebelfüssige Hallimasch. Sein erstaunlicher Stoffwechsel bindet Schwermetalle, lässt Holz im Dunkeln leuchten – und produziert Melanin. Und zwar massenhaft. «Wir haben eine viel-

versprechende Linie des Hallimasch-Pilzes selektiert, die mit unserer Technologie nun rund 1000-mal so viel Melanin produziert wie andere Mikroorganismen, mit denen die Pigmentherstellung bereits versucht wurde», so Schwarze. Der Trick: Der ausgewählte Pilzstamm lebt in einer Nährflüssigkeit und gibt das Melanin in die Umgebung ab. «Dieses System ermöglicht nun eine nachhaltige Produktion, die keine aufwendigen Extraktionsschritte mehr benötigt wie bisherige mikrobiologische Prozeduren», erklärt Javier Ribera, der massgeblich an dem Verfahren beteiligt ist. Nach drei Monaten habe ein Liter Hallimasch-Kultur bereits rund 20 Gramm Melanin erzeugt.

Filter für Wassereinigung

Die erleichterte und nachhaltige Produktion von Melanin ermöglicht es den Forschenden nun, Projekte zur Entwicklung innovativer Materialien voranzutreiben. Darunter ist beispielsweise ein System zur Wasserreinigung: Da Melanin in der Lage ist, Schwermetalle zu binden, kann es für die Entwicklung neuartiger Wasserfilter genutzt werden. «Wir haben das organische Melanin in künstliche Polymere wie Polyurethan integriert», erklärt die Forscherin Anh Tran-Ly. Mittels Elektrospinnen wurde das Polymergemisch in feinsten Fasern zu Membranen versponnen Bis zu 94 Prozent

Bild 3: Vom Erreger der Weissfäule, Physisporinus vitreus, befallenes Holz.

Blei lassen sich mittels der Melanin-basierten Komposit-Membranen aus verschmutztem Wasser entfernen, fand das Team heraus.

Schwarz wie Ebenholz

In der Natur setzen Pilze die Melaninpigmentierung unter anderem dazu ein, sich vor konkurrierenden Organismen zu schützen, die aus der Umgebung eindringen. Mit einer neuen Technologie lässt sich der färbende Stoff nun auch verwenden, um viel grössere Lebensgemeinschaften vor menschlichem Einfluss zu schützen: Mit Melanin lassen sich tropische Wälder schonen, in denen das wertvolle Ebenholz wächst. Tropisches Ebenholz gilt auch wegen seiner einmaligen dunklen Farbe als besonders kostbar. Ein nachhaltiger Prozess, der gewöhnliches einheimisches Fichtenholz zu einem optisch ebenso attraktiven Produkt aufwertet, lässt vulnerable Tropenwälder aufatmen. «Wenn Fichtenholz in eine Melanin-Suspension eingelegt wird, lässt sich ein tiefdunkles Holz erzeugen, dass farblich mit Ebenholz vergleichbar ist», sagt Forscher Tine Kalac (siehe Bild 2).

Helfender Trick aus der Pilzkiste

Damit die schwarze Einfärbung das Holz besser durchdringen kann, griffen die Forschenden zu einem weiteren Trick aus ihrer Pilzkiste: Der wässrige Porling, Physisporinus vitreus, ist als Erreger der Weissfäule ebenfalls ein Holzschädling. Schwammartig wächst er auf Bäumen und zersetzt das stützende Lignin im Holz (Bild 3). Mit einem eigens an der Empa entwickelten Verfahren wird das Holz nun gerade so lange mit dem Weissfäule-Pilz behandelt, dass die Melaninsuspension tief in die Holzstrukturen eindringen kann, das Holz aber noch stabil bleibt.

Serpentino – ein besonderes Instrument

Da der Hallimasch-Pilz Melanin als Waffe gegen Artgenossen einsetzt, liegt es nahe, diesen Schachzug auch einzusetzen, um Holz vor Schadpilzen zu schützen. Um einen Melanin-basierten Holzschutz zu entwickeln, sind die Forschenden der Empa an einem kürzlich gestarteten, interdisziplinären Forschungsprojekt beteiligt, das von Innosuisse, der Schweizerischen Agentur für Innovationsförderung, unterstützt wird. Sie wollen ein historisches Blasinstrument, den Serpentino (auf Deutsch: kleine Schlange), nachbauen. Partner des Projekts ist neben der Fachhochschule Nordwestschweiz und dem Historischen Museum Basel das Unternehmen SBerger Serpents in Le Bois (JU), das für die praktische Umsetzung des Forschungsvorhabens zuständig ist. Firmengründer Stephan Berger ist begeistert von der Wiedergeburt des seltenen Instruments: «Der Serpentino wurde vor über 400 Jahren verwendet und stand Pate für

Bild 4: Stephan Berger mit dem Serpentino: eigentümliche Gestalt mit berührendem Klang.

moderne Instrumente wie das Saxofon und die Tuba», erklärt er. Es sei zwar eine spielerische Herausforderung für die Musizierenden, das Instrument zu meistern, der Klang sei dafür aber unvergleichlich, schwärmt Berger. «Der Serpentino erzeugt Klänge, die reich an Obertönen und sehr berührend sind.» Ursprünglich sei das Blasinstrument in Kirchen zur Unterstützung des Gesangs eingesetzt worden, da es die Register der menschlichen Stimme abdecke und so einen Chor «stützen» könne, erzählt der passionierte Instrumentenbauer. Obwohl heute ein Trend zur historisch informierten Aufführungspraxis dazu führt, dass der Serpentino begehrt ist, kann Berger seine Kunden nicht mit Instrumenten beliefern: Die eigentümlich geschwungenen Originalinstrumente sind rar geworden. Denn im Inneren der NussbaumholzSchlange entsteht nicht nur ein unvergleichlicher Klang – es tobt auch ein Krieg: Das Kondenswasser aus der Atemluft der Musiker schafft ein feuchtes Mikroklima, das hervorragende Bedingungen für das Wachstum von allerlei Schädlingen liefert. Und so zersetzen Mikroben und Pilze die jahrhundertealten Instrumente und zerstören die letzten Originalexemplare nach und nach. Vor diesen Schäden sollen die originalgetreuen Serpentino-Nachbauten des Forschungsprojekts nachhaltig geschützt werden. Hier kommt das Melanin der Forschenden an der Empa ins Spiel: «Wenn wir eine Melanin-basierten Holzschutzimprägnierung einsetzen können, lassen sich nicht nur die neugebauten Serpentinos vor dem Verfall retten», sagt Berger. Auch andere Holzblasinstrumente, die heute mit einheimischen, weniger resistenten Hölzern gebaut werden, könnten von einer derartigen Schutzschicht profitieren. Daher sei die Zusammenarbeit mit dem Empa-Team für den Instrumentenbau in doppelter Hinsicht spannend.

Kontakt Prof. Dr. Francis Schwarze Empa Cellulose & Wood Materials Ueberlandstrasse 129 CH-8600 Duebendorf +41 58 765 72 47 francis.schwarze@empa.ch www.empa.ch

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Die Quartärstruktur

Wie ein Proteinkomplex entsteht

Eiweisse können hochkomplexe Strukturen aufweisen. Beispielsweise besteht das Kernporenprotein einer Hefezelle aus rund 30 Proteinen, die sich selbst zusammengefügt haben. Forschende der ETH haben eine Methode entwickelt, mit der sie erstmals detailliert den Ablauf des Zusammenbaus von grossen Proteinkomplexen untersuchen können. Als Fallbeispiel nahmen die Forschenden den Kernporenkomplex von Hefezellen.

Peter Rüegg ¹

Zellen stellen eine grosse Anzahl verschiedener Proteinkomplexe her, die ihrerseits aus einer Vielzahl von Einzelproteinen zusammengesetzt sind. Solche Proteinkomplexe wie etwa Ribosomen regulieren fast alle lebenswichtigen biologischen Funktionen einer Zelle. Mittlerweile ist es Biologen und Biologinnen gelungen, die Struktur vieler dieser Proteinkomplexe zu bestimmen. Wenig erforscht ist hingegen, wie sich solche Komplexe aus Einzelproteinen zusammenfügen und mit der Zeit verändern. Mit gängigen Ansätzen konnten Wissenschaftler den genauen Ablauf dieser Reaktionen in Zellen kaum untersuchen, gerade was grosse Komplexe betrifft. Einen neuen Ansatz präsentiert nun eine Gruppe von Forschenden um Karsten Weis und seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter Evgeny Onischenko am Institut für Biochemie der ETH Zürich. Mit dieser Methode ist es möglich, die Dynamik von Zusammensetzungsreaktionen jeglicher Proteinkomplexe, auch sehr grosser, zeitlich hochaufgelöst nachzuverfolgen. Die Studie erschien in der Fachzeitschrift «Cell».

Von Stoffwechselanalysen inspiriert

Ihre neue Methode nennen die Forschenden «Kinetic analysis of incorporation rates in macromolecular assemblies» – kurz: Karma. Angelehnt ist «Karma» an Methoden zur Untersuchung von Stoffwechselvorgängen. Um den Metabolismus zu erforschen, nutzten Wissenschaftler schon

Hefe ist nicht nur in der Backstube beliebt, auch die Biologie schätzt sie seit jeher als Untersuchungsobjekt.

seit langer Zeit radioaktiven Kohlenstoff, mit dem sie beispielsweise Glukosemoleküle markieren. Zellen nehmen diese auf und wandeln sie in ihrem Stoffwechsel um. Dank der radioaktiven Markierung können Forschende nachverfolgen, wo und zu welcher Zeit die Glukosemoleküle oder ihre Stoffwechselprodukte auftreten.

Markierte Aminosäuren

«Diese Art von Untersuchungen hat uns dazu inspiriert, die Zusammensetzungsreaktionen von Proteinkomplexen nach einem ähnlichen Prinzip zu erforschen», erklärt Weis. Und zwar nutzen die Forschenden markierte Aminosäuren, die Grundbausteine von Proteinen, die isotopisch schwerere Kohlenstoff- und Stickstoff- Varianten enthalten. In eine Kultur von Hefezellen ersetzen die Forschenden die leichten Aminosäuren durch ihre schwereren Gegenstücke. Bei der Synthese von Proteinen verwenden die Hefen dann diese schweren Aminosäuren, was

Schematische Darstellung: Die RNA (rosarot) tritt aus dem Zellkern durch eine Pore in die Zellflüssigkeit. Dort liefert sie als BotenRNA die Rohdaten für die Herstellung neuer Proteine.

sich auf das Molekulargewicht der neu hergestellten Proteine auswirkt.

Das «Alter» eines Proteins

Die Forschenden entfernen in regelmässigen Zeitintervallen Hefezellen aus den Kulturen, um Proteinkomplexe zu isolieren. Mittels Massenspektrometrie messen die Wissenschaftler den winzigen Gewichtsunterschied zwischen Molekülen mit

schwereren Aminosäuren und solchen ohne. Das gibt einen Aufschluss über das «Alter» eines Proteins in einem Komplex. Vereinfacht gesagt gilt: Je älter ein Protein ist, desto früher wurde es in den Komplex eingebaut. Mittels kinetischer Modelle können die Forscher aus diesen Altersunterschieden schliesslich die genaue Reihenfolge des Aufbaus eines Proteinkomplexes rekonstruieren.

Fallbeispiel: Komplex mit 30 Proteinen

Als Fallbeispiel, um ihre Methode zu validieren, wählten Weis und seine Mitarbeitenden den Kernporenkomplex von Hefezellen. Dieses Gebilde umfasst 500 bis 1000 Bauteile aus rund 30 unterschiedlichen Proteinen, die jeweils mehrfach vorkommen. Damit ist diese Struktur einer der grössten bekannten Proteinkomplexe überhaupt. Mithilfe von «Karma» konnten die Biochemiker detailliert aufschlüsseln, wann welche Module eingebaut werden. Die Forschenden entdeckten unter anderem ein hierarchisches Prinzip: Einzelne Proteine bilden innert kürzester Zeit Untereinheiten, die sich dann ausgehend vom Zentrum bis zur Peripherie in einer bestimmten Sequenz zusammensetzen.

Langlebiges Grundgerüst

«Wir konnten nun erstmals zeigen, dass einige Proteine sehr schnell für den Bau des Porenkomplexes verwendet wurden. Andere hingegen wurden erst nach einer Stunde in den Komplex eingebaut. Das dauert erstaunlich lange», sagt Weis. Eine Hefezelle teilt sich alle 90 Minuten. Für den kompletten Aufbau des so wichtigen Porenkomplex heisst das also, dass eine Hefezelle hierfür fast eine ganze Generation benötigt. Weshalb der Zusammenbau neuer Poren bezogen auf den Vermehrungszyklus der Hefe so lange dauert, ist nicht bekannt. Die Biologen zeigen zudem, dass die Pore – ist sie einmal fertig – sehr stabile und langlebige Bestandteile hat, wie etwa das innere Grundgerüst, in dem während der Lebenszeit kaum Bauteile ausgewechselt werden. Proteine an der Peripherie des Kernporenkomplexes werden hingegen häufig ausgetauscht.

Defekte Kernporen begünstigen Krankheiten

Kernporen gehören zu den wichtigsten Proteinkomplexen in Zellen. Sie sind verantwortlich für den Austausch von Stoffen und Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Zellsaft. Kernporen transportieren beispielsweise Boten-RNA aus dem Zellkern hinaus. Die Zellmaschinerie ausserhalb des Zellkerns braucht diese Moleküle als Bauplan für neue Proteine. Kernporen sind zudem direkt oder indirekt an Krankheiten des Menschen beteiligt. So spielen Veränderungen an der Kernpore und ihrer Proteine bei Leukämien, neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer oder bei Diabetes eine Rolle. «Generell ist es allerdings nicht gut verstanden, weshalb Defekte an der Pore zu diesen Krankheitsbildern führen», sagt Weis. Mit «Karma» könnten solche Fragen künftig besser angegangen werden.

Vielseitig nutzbare Plattform

«Obwohl wir ‹Karma› in dieser Arbeit nur auf einen einzigen Proteinkomplex angewendet haben, sind wir begeistert über zukünftige Anwendungsmöglichkeiten, und unsere Methode erlaubt es nun, die zeitlichen Abläufe von vielen biologischen Prozessen zu entschlüsseln», betont der Professor. Mit dieser Technik lassen sich molekulare Ereignisse untersuchen, die während des Infektionszyklus von Viren auftreten. Das könnte dann helfen, neue Wirkstoffkandidaten zu finden, die den Infektionszyklus unterbinden. Zudem kann die neue Methode über Proteine hinaus auf andere Biomoleküle wie RNA oder Lipide erweitert werden.

Originalpublikation E. Onischenko, «Maturation Kinetics of a Multiprotein Complex Revealed by Metabolic Labeling», Cell (2020); DOI: 10.1016/ j.cell.2020.11.001

Kontakt ETH Zürich Rämistrasse 101 CH-8092 Zürich +41 44 632 42 44 news@hk.ethz.ch www.ethz.ch/news

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