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Glycolipide in Ustilago maydis

Der Maisbrandpilz Ustilago maydis bildet unter Stickstoffmangelbedingungen zwei Klassen von Glycolipiden: Die Mannosylerythritol-Lipide (MEL) und die Zellulose-Lipide, auch als Ustilaginsäure bekannt (UA). Die Produktion beider Klassen erfolgt durch spezifische Gencluster (Hewald et al., 2006; Teichmann et al., 2007).
MELs werden in vielen Pilzen durch Gencluster aus fünf Genen hergestellt (Abb. 1). Die enzymatischen Funktionen der Glycosyltransferase Emt1, der Acetyltransferase Mat1 und der beiden Acyltransferasen Mac1 und Mac2 konnten aufgeklärt werden. Das Transport-Protein Mmf1 ist essentiell für den Export von mono-acetylerten MELs; nicht-acetylierte und di-acetylierte MEL Varianten können auch ohne Mmf1 im Medium nachgewiesen werden.
 
Die Synthese der MELs startet mit der Kondensation von Erythritol und Mannose durch Emt1. Das Disaccharid Erythritol-Mannose wird dann an den Kohlenstoffresten C2 und C3 der Mannose durch Mac1 und Mac2 acyliert. Dieser Vorgang erfolgt in den Peroxisomen, und ermöglicht so eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten durch den Einbau unterschiedlich langer Fettsäureketten, die bei der beta-Oxidation dort entstehen (Freitag et al., 2014). Darüber hinaus erfolgt so auch eine räumliche Trennung der beiden Glycolipid-Synthesewege für UAs und MELs. Zum Schluß erfolgt die Acetylierung durch Mat1 an C4 und/oder C6.

allgemeine Mel-Struktur

MELs, die von U. maydis produziert werden, sind also eine komplexe Mischung aus di-, mono- und nicht-acetylierten Varianten (MEL-A, -B/C und -D), die verschiedene Kombination an Acyl-Seitenketten haben können. Mac1 (R1) baut zumeist kurze Fettsäuren mit den Kettenlängen C2, C4 und C6 ein, und Mac2 (R2) verwendet C12, C14 und C16 Fettsäuren als Substrat. Zusätzlich können die langen Fettsäuren gesättigt oder einfach ungesättigt sein oder/und hydroxyliert sein (Abb. 2).
 

eine neue Eigenschaft einer synthetischen MEL-Variante mit Mac1 aus dem Pilz Xx und mit Mac2 aus dem Pilz Yy.

MELs sind oberflächenaktive Substanzen mit einem großen Anwendungsbereich bei pharmazeutischen Produkten oder für Detergenzien. Abhängig von ihrer Acetylierung sind MELs geeignet, die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten herabzusetzen, ölhaltige Lösungen zu emulsifizieren oder durch Zellmembranen zu tunneln.
Unser Forschungsinteresse besteht in der Produktion von massgeschneiderten MELs mit Hilfe eines Werkzeugkastens. Hierzu werden zuerst die Acyltransferasen aus verschiedenen MEL-produzierenden Pilzen der Gattungen Ustilago, Sporisorium, Pseudozyma und Moesziomyces verwendet und deren Eigenschaften anhand der gebildeten MELs charakterisiert. Ziel ist zum einen die Komplexität der MEL-Mischungen zu reduzieren, zum anderen aber auch den verschiedenen Eigenschaften der MELs bestimmte Seitenkettenkombinationen zuzuordnen bzw. neue Eigenschaften zu entdecken (Abb. 3).
 

Ein weiteres Forschungsprojekt sind MELs aus anderen Pilzen zB Sporisorium reilianum oder Sporisorium exsertum und die daran beteiligten Proteine. Für S. reilianum konnten wir erstmalig zeigen, dass zwei Gene des MEL clusters nicht exprimiert wurden, dafür aber entsprechenden Gene des verwandten synthetischen Clusters. Ob dieser neue Gencluster, der homologe Gene für Mat2 und Mac3 beinhaltet, auch in S. exsertum eine Rolle spielt, ist Gegenstand laufender Untersuchungen. 

Relevante Publikationen:

Tiefenbacher J, Linne U, Freitag J, Sandrock B (2025) Two gene clusters are required for mannosylerythritol lipid biosynthesis in Sporisorium reilianum. 
mBio 0:e00899-25.

Becker F, Linne U, Xie X, Hemer A, Bölker M, Freitag J, Sandrock B (2022). Import and Export of Mannosylerythritol Lipids by Ustilago maydis. 
mBio 13, e02123-22.

Becker F, Stehlik T, Linne U, Bölker M, Freitag J, Sandrock B (2021) Engineering Ustilago maydis for production of tailor-made mannosylerythritol lipids. Metab Eng Commun 12: e00165 

Deinzer H, Linne U, Xiulan X, Bölker M & Sandrock B (2019) Elucidation of substrate specificities of decorating enzymes involved in mannosylerythritol lipid production by cross-species complementation. Fungal Genetics and Biology, DOI: 10.1016/j.fgb.2019.05.003
Freitag J, Ast J, Linne U, Stehlik T, Martorana D, Bölker M & Sandrock B. (2014) Peroxisomes contribute to biosynthesis of extracellular glycolipids in fungi. Mol Microbiol 93: 24-36
Teichmann B, Linne U, Marahiel M A & Bölker M (2007) A biosynthetic gene cluster for a secreted cellobiose lipid with antifungal activity from Ustilago maydis. Mol Microbiol 66: 525-533
Hewald S, Linne U, Scherer M, Marahiel M A, Kämper J & Bölker M (2006) Identification of a gene cluster for biosynthesis of mannosylerythritol lipids in the basidiomycetous fungus Ustilago maydis. Appl Environment Microbiol 72: 5469-5477