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8.17: Pilze als Treibstoff - Biologie

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Lernerfolge

  • Diskutieren Sie die Verwendung von Pilzen als alternative Brennstoffe

Während die Verwendung von Pilzen als Nahrungsmittel oder Medizin ziemlich bekannt ist, werden die anderen Verwendungen von Pilzen oft übersehen. Eine der neuesten Verwendungen von Pilzen ist die Herstellung von Kraftstoff.

Seit Jahrtausenden verwenden wir Hefe zur Herstellung von Alkohol. In vielen Ländern der Welt wird Ethanol zum Antrieb von Autos verwendet. Brasilien ist seit den 1970er Jahren Vorreiter bei der Verwendung von Ethanol oder Ethanol/Benzin-Gemischen in seinen Autos. Das Tanken mit Benzin ist ebenso üblich wie mit Ethanol.

Neue Forschungen haben sich auch mit der Verwendung von Pilzen zur Herstellung von Mykodiesel. Gary Strobel von Live Science gab die folgende Erklärung zu Mycodiesel:

„Mycodiesel“ ist ein neuartiger Name für flüchtige organische Produkte, die von Pilzen mit Kraftstoffpotenzial hergestellt werden. Die neueste Entdeckung ist die einer endophytischen Hypoxylon/Nodulosporium-Art oder einer, die in einer Pflanze lebt, die die Verbindung Cineol zusammen mit einer Reihe anderer Cyclohexane (farblose, brennbare Flüssigkeiten, die in Erdölrohöl und vulkanischen Gasen vorkommen) und Verbindungen mit enormes Kraftstoffpotenzial.[1]

Das Compound Cineol ist besonders interessant, da es mit Benzin gemischt werden kann (acht Teile Cineol zu einem Teil Benzin) und einen Kraftstoff mit einer Oktanzahl von 95 erzeugen.[2] Als Referenz hat das durchschnittliche „normale“ Benzin in den Vereinigten Staaten eine Oktanzahl von 87.

Obwohl die Verwendung von Pilzen noch eine neue Idee ist, könnte sie sich als eine spannende und umweltfreundliche Alternative zu den heutigen Kraftstoffen erweisen, die wir heute verwenden.



Forscher stellen Düsentreibstoffverbindungen aus Pilzen her

Forscher der Washington State University haben einen Weg gefunden, Düsentreibstoff aus einem gewöhnlichen schwarzen Pilz herzustellen, der in faulenden Blättern, Erde und verrottenden Früchten vorkommt. Die Forscher hoffen, dass das Verfahren in den nächsten fünf Jahren zu einer wirtschaftlich tragfähigen Produktion von Biokraftstoffen für die Luftfahrt führt.

Die Forscher verwendeten Aspergillus carbonarius ITEM 5010 zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen, dem Hauptbestandteil von Erdöl, ähnlich denen in Flugkraftstoffen.

Unter der Leitung von Birgitte Ahring, Direktorin und Battelle Distinguished Professor des Bioproducts, Sciences and Engineering Laboratory der WSU Tri-Cities, veröffentlichten die Forscher ihre Arbeit in der April-Ausgabe von Pilzbiologie.

Der Pilz produzierte die meisten Kohlenwasserstoffe bei einer Ernährung mit Haferflocken, aber auch durch den Verzehr von Weizenstroh oder den nicht essbaren Resten aus der Maisproduktion. Pilze sind seit etwa einem Jahrzehnt im Rahmen der Biokraftstoffproduktion von Interesse als Hauptproduzent von Enzymen, die für die Umwandlung von Biomasse in Zucker erforderlich sind. Einige Forscher zeigten außerdem, dass Pilze Kohlenwasserstoffe bilden können, aber die Forschung beschränkte sich auf einen bestimmten Pilz, der in einem bestimmten Baum im Regenwald lebte, und die tatsächlichen Kohlenwasserstoffkonzentrationen wurden nicht berichtet.

Ahrings Gruppe war zuvor erfolgreich bei der Verwendung von Standard-Aspergillus-Pilzen zur Herstellung von Enzymen und anderen nützlichen Produkten, die patentiert wurden und sich in der Kommerzialisierung befinden A. carbonarius Potenzial von ITEM 5010 für Biokraftstoffe.

Pilze seien komplexe Mikroorganismen und nicht immer einfach zu bearbeiten, sagte Ahring. Sie haben eine komplexe Biologie, die oft kaum verstanden wird.

"Nicht viele Menschen auf dieser Welt tun das tatsächlich", sagte sie. "Der Teil der Molekularbiologie ist kompliziert."

Die Forscher wurden von Kenneth Bruno, einem Forscher am Pacific Northwest National Laboratory des US-Energieministeriums, unterstützt, der eine Methode entwickelt hat, die für die genetische Manipulation von A. carbonarius. Die Forschung wurde vom dänischen Rat für strategische Forschung im Rahmen des Programms für Energie und Umwelt finanziert.

Die Verwendung von Pilzen zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen und Biokraftstoffen ist besser als andere Methoden, da sie die Arbeit selbst erledigen und mehrere komplizierte chemische Prozesse umgehen, die für andere Methoden zur Herstellung von Biokraftstoffen erforderlich sind. Pilze haben auch ein großes Potenzial, den Brennstoff kostengünstig herzustellen, sagte Ahring.

Sie vermutet, dass die Pilze als Schutzmechanismus Kohlenwasserstoffe produzieren, große Verbindungen, die für den Organismus teuer sind. Ihre Gruppe zeigte, dass Pilze auf bakterielle Angriffe reagieren, indem sie ihre Kohlenwasserstoffproduktion erhöhen.

Die Forscher arbeiten nun daran, die Kohlenwasserstoffproduktion der Pilze zu optimieren und biochemische Wege durch Gentechnik zu verbessern. Sie haben Mutanten mit einem höheren Produktionsniveau erhalten und arbeiten daran, diese Stämme zu verbessern, indem sie Gene verwenden, die für bestimmte Kohlenwasserstoffe aus blaugrünen Bakterien und Algen kodieren.

Vor mehr als einer Generation standen Schimmelpilzforscher vor der gleichen Herausforderung, die feststellten, dass sie nur eine winzige Menge ihres Produkts herstellen konnten, sagte Ahring. Schließlich optimierten sie die Produktion ihres Produkts, das als Antibiotika bekannt wurde.

"Es ist sehr vielversprechend", sagte sie. "Ich denke, dass die pilzbasierten Kraftstoffe etwas sein werden, das passieren wird. Es ist eine enorme Chance. ''


Hintergrund

Die Produktion von niedermolekularen organischen Säuren durch filamentöse Pilze hat aufgrund ihrer Rolle in der natürlichen Ökologie und ihrer potentiellen industriellen Anwendungen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1],[2]. Es wird angenommen, dass die natürliche Produktion organischer Säuren durch Pilze viele Schlüsselrollen in der Natur spielt, abhängig von der Art der Pilze, die sie produzieren. Diese Rollen sind entweder auf die pH-Abnahme infolge ihrer Sekretion oder auf die direkte Wechselwirkung der organischen Säure mit der Umgebung zurückzuführen [3],[4]. Die konsekutive Abnahme des pH-Wertes bei ihrer Sekretion kann den säuretoleranten Fadenpilzen einen Wettbewerbsvorteil verschaffen. Für Ektomykorrhiza-Pilze wurde auch vorgeschlagen, dass diese pH-Abnahme Bodenmineralien solubilisiert, wodurch Nährstoffionen zur Aufnahme durch Pflanzen und Mikroorganismen freigesetzt werden, was die Mineralverwitterung fördert [1]. Bei saprophytischen und holzzersetzenden Pilzen führt diese pH-Ansäuerung, verursacht durch die Oxalsäureproduktion, zu einer säurekatalysierten Hydrolyse der Holocellulose [5]–[7]. In Bezug auf ihre direkte Wechselwirkung mit der Umwelt sind organische Säuren an der Metallentgiftung durch Metallkomplexe beteiligt und Oxalsäure spielt eine wichtige Rolle beim Biomasseabbau [4]. Aus diesem Grund, Basidiomykota wurden ausführlich auf ihre Fähigkeit zur Oxalsäureproduktion untersucht [8]–[12]. Um ihre Rolle im Ökosystem besser zu verstehen, konzentrierten sich diese Studien auf die Pflanzen-Pilz-Symbiose [9],[13] oder das Wachstum auf komplexen Substraten [12],[14]–[16] und konzentrieren sich oft auf Holz- Karies oder Mykorrhiza-Pilzarten.

Um die Nachfrage nach nachhaltigen Alternativen zu fossilen Brennstoffen als Energie- und Chemikalienquelle zu adressieren, konzentriert sich die Synthetische Biologie auf das Verständnis der Funktionsweise biologischer Systeme und deren Nutzung zum Nutzen der Gesellschaft. Organische Säuren können vielfältige industrielle Anwendungen als Lebensmittelzusatzstoffe, pharmazeutische und kosmetische Hilfsstoffe haben [17]. Sie sind vollständig abbaubare Moleküle und können als chemische Zwischenprodukte oder als Synthone für die Herstellung biologisch abbaubarer Polymere verwendet werden und möglicherweise erdölbasierte oder synthetische Chemikalien ersetzen [17]. Einige Pilze sind für ihre natürliche Fähigkeit bekannt, große Mengen verschiedener nützlicher organischer Säuren zu produzieren. Diese Pilze stammen meist aus dem Aspergillus (z.B. Zitronen-, Glucon-, Äpfel- und Itaconsäure) und Rhizopus Gattungen (z. B. Milch- und Fumarsäure). Einige dieser organischen Säuren (z. B. Zitronensäure) können durch groß angelegte Bioprozesse hergestellt werden, was das hohe Potenzial von Pilzen als Plattformen zur Herstellung organischer Säuren zeigt [2], [18].

Die Literatur zur Produktion organischer Säuren in Fadenpilzen konzentriert sich oft auf eine bestimmte organische Säure, und es gibt nur wenige Informationen über den anderen produzierten Metaboliten. In vielen Fällen konzentrieren sich diese Studien auf bestimmte Stämme und Kulturen werden unter unterschiedlichen Bedingungen und mit unterschiedlichen komplexen Medien durchgeführt. Daher ist es manchmal schwierig, das Potenzial von Fadenpilzen aus der Literatur zu vergleichen. Darüber hinaus wird die Biodiversität der Pilze auf 1,5 Millionen Arten geschätzt [19], und es gibt noch viel über ihr Potenzial für die Produktion von Metaboliten zu lernen. In dieser Studie wurden 66 Stämme saprophytischer und holzzersetzender Pilze (40 Ascomycota und 26 Basidiomykota) wurden ausgewählt und in flüssigem Glucosemedium ohne pH-Regulierung untersucht, um ihre metabolischen Eigenschaften zu vergleichen. Diese Stämme gehören zu 47 verschiedenen Arten, die 23 Pilzfamilien repräsentieren. Die Mehrheit der getesteten Stämme wurde gesammelt vor Ort aus verschiedenen geographischen Gebieten wie tropischen Wäldern aus französischen Überseegebieten und gemäßigten Wäldern aus dem französischen Mutterland [19]. Das Wachstum von Pilzen und die Produktion von Metaboliten erfolgte in flüssigen Glukosemedien ohne jegliche pH-Regulierung, um technische und wirtschaftliche Aspekte vor- und nachgelagerter Industrie zu berücksichtigen. Diese industrienahen Bedingungen wurden gewählt, um das Potenzial dieser Organismen für die industrielle Produktion organischer Säuren hervorzuheben. Die große Vielfalt und Herkunft der ausgewählten Stämme ermöglicht es uns, das Potenzial verschiedener Pilzgruppen für die Produktion von organischen Säuren und Ethanol zu vergleichen.


Aktive Bewegung: Definition

Bewegung ist eines der Mittel, mit denen Organismen mit ihrer Umwelt interagieren. Es ermöglicht ihnen, auf Umweltherausforderungen zu reagieren und auf Ressourcen zuzugreifen. Der erste Schritt beim Hinzufügen von Pilzen aktive Bewegung zum bewegungsökologischen Rahmen erfordert eine Überarbeitung der Definition von Bewegung selbst. Wir schlagen die folgende Definition als inklusiv für alle Organismen vor, die mit ihrer Umwelt auf die im Bewegungsökologie-Rahmen von Nathan et al. beschriebene Weise interagieren. [3] und Jeltsch et al. [4]:

Aktive Bewegung ist jede Translokation von Biomasse, die durch die eigenen Energieressourcen eines Organismus aufrechterhalten wird, die als Reaktion auf Umweltreize und -reize oder durch Umweltselektionsdruck gesteuert (navigiert) wird und wiederum eine direkte Wirkung auf die biotische und abiotische Umwelt haben kann .

Basierend auf dieser Definition zeigen wir im Folgenden, wie Merkmale der Pilzmorphologie und -physiologie als Bewegungsmerkmale beschrieben werden können, wie diese Merkmale dem Pilz ermöglichen, auf seine Umgebung zu reagieren, und wie diese Reaktionen den Zusammenbau der Pilzgemeinschaften beeinflussen. Dabei gleichen wir auch die (wichtigsten) Begriffe der Bewegungsökologie und der Pilzbiologie an.

Schritt 1: Aktive Bewegung in Fadenpilzen Nathans Bewegungsökologie-Framework

Genau wie bei beweglichen Organismen können bei Fadenpilzen Umweltreize und Reize die internen Zustand des filamentösen Pilzes und steuern (Navigationskapazität) die Translokation der Biomasse (Bewegungskapazität) [3]. Dadurch ergibt sich eine bestimmte räumliche Lage der Pilzbiomasse in einer bestimmten Zeit (Bewegungspfad) [3].

Bewegungskapazität

Drei verschiedene Arten der Translokation in Hyphen und Myzel können eine direkte Reaktion auf die Umwelt ermöglichen und können als Formen aktiver Bewegung erkannt werden: Hyphales (Myzel) Wachstum [9, 10], Transport innerhalb des Zytoplasmas [11, 12] und Migration (Retraktion) des gesamten Zytoplasmas innerhalb einer Hyphe [13].

In beweglichen einheitlichen Organismen wird Folgendes als drei verschiedene, entkoppelte Prozesse realisiert (Abb. 1):

Translokation des gesamten Organismus (Eingriff auf die heterogene Umwelt, Ressourcenintegration von verschiedenen Orten, Flucht oder Angriff), untersucht durch Bewegungsökologie.

entwicklungsbiologisch untersuchtes Wachstum und

Bewegung der physiologischen Flüssigkeiten, Aufrechterhaltung der Homöostase.

Hauptbewegungsfunktionen im einheitlich beweglichen und modularen Organismus (filamentöser Pilz). Im beweglichen einheitlichen Organismus (links) interagiert das Individuum mit der Umwelt, indem es seinen gesamten Körper von einem Punkt zum anderen bewegt (grüne Pfeile ein). Physiologische Bewegungen (orange Pfeile C) und Entwicklungsbewegung (d. h. Wachstum und Morphologie, blaue Pfeile und Punkte) B) liegen als charakteristische Prozesse vor. Ein Fadenpilz (rechts) kann seinen ganzen Körper nicht bewegen. Stattdessen verschränkt es die Nahrungssuche mit Wachstum und Morphologie (grüne + blaue Pfeile und Punkte A + B) und die Integration von Ressourcenfeldern mit physiologischen Bewegungen (grüne Pfeile + orange Pfeile A + C).

Im Gegensatz dazu müssen filamentöse Pilze auf die Herausforderungen ihrer heterogenen Umgebung, der Aufrechterhaltung der Homöostase und des Entwicklungswachstums reagieren, indem sie alle miteinander verflechten (A + B + C): Die Translokation des Organismus ist mit dem Wachstum (A + B) verflochten. Die Bewegung der physiologischen Flüssigkeiten kann sowohl eine homöostatische Funktion als auch die Funktion haben, Ressourcen aus verschiedenen Bereichen der Umwelt zu integrieren (A + C). Auch das gesamte Zytoplasma kann entlang von Hyphen (in der Pilzbiologie als „Hyphalkanal“ bezeichnet) von einem Ort zum anderen bewegt werden, und es ist erwähnenswert, dass bei Pilzen verschiedene Formen des Zelltods als Bewegungsmerkmale angesehen werden können. Wenn das Myzel an älteren Standorten degeneriert (möglicherweise einen Teil seiner eigenen Biomasse recycelt) und an neue Standorte auswächst, kann das zusammenfassende Ergebnis eine Positionsänderung des gesamten Organismus sein, die den Situationen bei typischen beweglichen Organismen sehr ähnlich ist. Daher sollten auch Prozesse wie die Autophagie als bewegungsbezogene Merkmale anerkannt werden [14].

Wir weisen darauf hin, dass sich die Bewegungskapazität von Pilzen wie bei anderen sich aktiv bewegenden Gruppen zwischen den Arten radikal unterscheidet. Olsson [15] ließ beispielsweise verschiedene Arten in Petrischalen wachsen, mit einer Quelle von konzentriertem C an einem Ende und einer Quelle von konzentriertem N am gegenüberliegenden Ende, wobei der Konzentrationsgradient dazwischen liegt. Während einige Arten in der Lage waren, Ressourcen im gesamten Raum aktiv zu integrieren und in der gesamten Petrischale zu wachsen, wuchsen andere nur im zentralen Teil.

In unserem Konzept ist es zentral, zwischen den beiden Hauptformen ökologisch relevanter Bewegungen (Bewegungskapazitäten) bei Fadenpilzen, der Translokation durch informiertes Wachstum und der Translokation durch zytoplasmatische Transporte, klar zu unterscheiden (Abb. 1). Beispielsweise ist das Wachstum von Hyphen von primärem Interesse bei der Verbreitung von Bakterien in der Bodenumgebung, während der zytoplasmatische Transport klonale Subventionierung bewirkt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bei der Entwicklung des Pilzkörpers zytoplasmatisches Strömen und Hyphenwachstum eng miteinander verbunden sind. Für weitere Details verweisen wir auf den Mycofluidics Review von Ropert und Seminara [6].

Navigationskapazität, interner Zustand und Bewegungspfad

Sowohl das Wachstum von Hyphen als auch der Transport von Biomasse innerhalb des Myzels kann unterrichtet, d.h. sie reagieren auf Umweltreize, um die Interaktion des Organismus mit der Umwelt zu erleichtern [16, 17]. Aus bewegungsökologischer Sicht weisen Pilze eindeutig Navigationsfähigkeit auf (Abb. 2). Bemerkenswerte Navigationsfähigkeiten sind beispielsweise beim Gräserreger bekannt Claviceps purpurea (der Mutterkornpilz), bei dem die Hyphe mehrere verschiedene Gewebe passieren muss, um ihren Weg von der Sporenkeimstelle zum jungen Blütchen zu finden, auf das sie abzielt [18].

Bewegungsökologie-Framework angepasst an die Biologie und Ökologie von Fadenpilzen: Original grafische Darstellung des Frameworks von Jeltsch et al. [4] wird mit pilzbewegungsbezogenen Phänomenen kombiniert. Blaue Kästchen beziehen sich auf Pilze aktive Bewegung durch informiertes Wachstum ermöglicht. Orangefarbene Kästen sind mit Pilzen verwandt aktive Bewegung ermöglicht durch zytoplasmatischen Transport

Die Umgebungsfaktoren, die die Navigationsreaktion beeinflussen ("Wo und wann umziehen?"), und verändern so die Bewegung von Hyphen und anderen aktiven Biomasse-Translokationen (Bewegungspfad) enthalten:

die Verfügbarkeit und Verteilung von Ressourcen [17, 19, 20]. Die artspezifische Variabilität in der Morphologie des Myzels, zum Beispiel „Phalanx vs. Guerilla“-Strategie zur Nahrungssuche, ist ein Beispiel für eine möglicherweise durch das genetisch kodierte Gedächtnis ermöglichte Navigationskapazität (d. h. potenziell auf Populationsebene selektiert) [19].

Vorliegen einer Gefahr in Form von Giftstoffen oder Grasfressern [21, 22]. Beim Weiden von Pilzmyzel kann das Zusammenspiel zwischen dem inneren Zustand (Bewegungsmotivation und physiologische Bewegungsfähigkeit) und der Navigationsfähigkeit komplex sein: Während intensives Weiden (nicht überraschend) zu vermindertem Wachstum führt, kann moderates Weiden Reaktionen auslösen, die entweder als kompensatorisches Wachstum oder als Fluchtmechanismen interpretiert werden. Hedlundet al. [22] zeigte, wie der Pilz Mortierella isabellina wechselt von der normalen Morphologie zu einem schnelleren Wachstum und einer erhöhten Produktion von Lufthyphen als Reaktion auf das Grasen durch Collembolen. Die Autoren schlagen vor, dass Lufthyphen, die im 3D-Raum wachsen, eine höhere Chance haben, dem Grasfresser innerhalb der Poren eines natürlichen Substrats zu entkommen. In dem von Fomina et al. Studie [21] wuchsen vier verschiedene Pilzarten außerhalb der lokalisierten Cu- und Cd-Quellen. Interessanterweise nahm die Reaktion (negativer Chemotropismus) mit zunehmender Verfügbarkeit von Saccharose im Medium ab. Übersetzt in bewegungsökologische Begriffe untersuchte diese Studie die Navigationsfähigkeit auch im Kontext des inneren Zustands (d. h. verbesserte physiologische Möglichkeiten, in Gebiete mit toxischen Metallen zu wachsen, wenn genügend Energie vorhanden ist).

Anwesenheit von artgleichen Hyphen und Myzelien. Hyphen filamentöser Pilze sind in der Lage, mithilfe von Chemotaxis das Wachstum zu anderen Hyphen derselben Art zu steuern, beispielsweise zwischen Paarungspartnern [23]. Es wurde auch gezeigt, dass holzzersetzende Arten zwischen verschiedenen Arten von Konkurrenten unterscheiden und ihr Wachstum zwischen den Flecken entsprechend ändern [24].

die physikalische Struktur und andere physikalisch-chemische Eigenschaften der Umwelt [25,26,27]. Zum Beispiel im Hanson et al. Studie [26] wurden die Hyphen in der mikrostrukturierten Umgebung beobachtet: Sobald der Pilz, der auf einer offenen Agaroberfläche gewachsen ist, in das mikroskopische Labyrinth eindringt, ist er in der Lage, diese Veränderung zu erkennen, und mehrere Wachstumsparameter (Bewegungsparameter) werden verändert. Beispielsweise wurde die Verzweigungshäufigkeit erhöht. Diese Studie ist auch ein gutes Beispiel für das Richtungsgedächtnis bei Pilzen und seine Rolle bei der Navigation. Pereraet al. [27] gibt ein Beispiel dafür, wie Hyphen von dermatophytischen Pilzen die Kontakterfassung bei ihrer Navigation durch die Strukturen des Wirtsgewebes nutzen.

das Vorhandensein eines geeigneten Wirts (bei parasitären oder mutualistischen Pilzen). Pflanzenwurzeln sind beispielsweise dafür bekannt, Chemoattractants freizusetzen, die die Hyphen zur Navigation nutzen [20].

Schritt 2: Aktive Bewegung in Fadenpilzen Jeltschs Bewegungsökologie-Framework

Das Konzept der erweiterten Bewegungsökologie sagt voraus, dass nicht nur die Umwelt einen Einfluss auf die Bewegungspfad (siehe oben genannte Beispiele), aber auch die Interaktionen, die entlang der Bewegungspfad wirken sich auf die Umwelt aus und beeinflussen die Gemeindeversammlung [4] (Abb. 2). Wie in anderen Gruppen kann auch bei Fadenpilzen das Fokusindividuum (mit seinem speziellen Bewegungspfad) als mobiles Bindeglied (siehe unten) für Populationen anderer Gilden fungieren. Zur gleichen Zeit und innerhalb derselben Gilde ist die Bewegung dieses Individuums ein wichtiger Faktor der Pilzgemeinschaft, der sich auf intraspezifische und interspezifische Interaktionen auswirkt. Im Folgenden erweitern wir diese beiden Effekte von aktive Pilzbewegung.

Hyphen als mobile Linker

Die Wirkung des Nährstofftransports durch Pilze (d. h. mobile Ressourcenverbindungen) wurde im Kontext des Pilz-Pflanzen-Mutualismus intensiv untersucht [28], aber die Pilze fungieren auch als mobile Ressourcenlinker für die Mitglieder mikrobieller Ökosysteme. In Analogie zur Wanderung von Lachsen und Ernährungsgewohnheiten von Bären, die zur Bildung von Nährstoff-Mobilfunkverbindungen führen [29], können auch die von Hyphen transportierten Nährstoffe von mykophagen Bakterien aufgenommen und freigesetzt werden [30]. Die Nährstoffverbindungen können jedoch eine weniger dramatische Form haben, wenn der Pilz nicht zerstört wird: In nährstoffarmen und trockenen Mikrohabitaten können Bakterienpopulationen durch Hyphentransport und Ausscheidung von Nährstoffen und Wasser aufrechterhalten werden [31]. Myzelien sind auch in der Lage, organische Schadstoffe zu transportieren und somit für den biologischen Abbau durch Bodenbakterien verfügbar zu machen [32].

Hyphen filamentöser Pilze fungieren auch als genetische mobile Linker für Populationen von Bodenbakterien [33,34,35], indem sie ein Netzwerk von Wegen bereitstellen, die Bakterienarten für ihre Verbreitung nutzen können. Im Boden können sich Bakterien typischerweise nur in der Wasserphase bewegen. Unter trockenen Bedingungen kann dies die Habitatkonnektivität verringern. Die Konnektivität kann jedoch durch das Vorhandensein von Hyphen, die von einem Wasserfilm umgeben sind, wieder verbessert werden [34]. Die Ausbreitungsfähigkeit von Bakterien auf Pilzhyphen scheint das Ergebnis eines komplizierten Zusammenspiels zwischen den Eigenschaften beider Partner zu sein. Verschiedene Pilz-Bakterien-Spezies-Kombinationen zeigen ein unterschiedliches Ausbreitungspotential [36, 37], und es wurde bereits gezeigt, dass der Effekt die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft beeinflusst [37]. Hydrophobie verringert das Ausbreitungspotential des Pilzes [36, 38]. Auf bakterieller Seite ist die Fähigkeit, sich im Wasserfilm aktiv zu bewegen, wichtig [34], obwohl es auch Hinweise auf eine passive Ausbreitung gibt [36]. Das Beispiel von Pilz Autobahnen und Pilz-Pipelines (die in der Pilzbiologie häufig verwendeten Begriffe für genetische bzw. mobile Ressourcenlinker) zeigt auch, wie die Übernahme allgemeiner bewegungsökologischer Konzepte in der Pilzökologie die Besonderheiten mikrobieller Gemeinschaften berücksichtigen muss. Da zum Beispiel in Bakterien die Ausbreitungspropaguli normalerweise metabolisch aktive Zellen sind, ist die Funktion des genetischen und ressourcenmobilen Linkers oft eng miteinander verbunden. Wie oben gezeigt, dient der Pilz nicht nur als passives Gerüst, sondern die Ausbreitung kann durch Zufuhr von Nährstoffen weiter erleichtert werden. Die Dispergierung kann auch von der Funktion des . begleitet sein Prozessverknüpfer. Dies können lokalisierte pH-Änderungen sein [39], oder Antibiose: Durch die Schaffung von Mikroumgebungen mit antibakteriellen Eigenschaften können Pilze bevorzugt antibiotikaresistente Stämme verbreiten [40]. Ein interessantes Beispiel ist der bewegungsbasierte Mutualismus zwischen den Fadenpilzen Aspergillus fumigatus und das schwärmende Bakterium Paenibacillus-Wirbel Im Boden. Die bewegungsunfähigen Konidien des Pilzes können von Bakterienpopulationen über Distanzen von mindestens 30 cm, auch von Orten, die das Pilzwachstum nicht unterstützen, in die Nischen von A. fumigatus. Im Gegenzug dienen die Hyphen des Pilzpartners als Brücken für P. Wirbel über Bodenporen-Luftspalte, die P. Wirbel allein nicht in der Lage wäre [41].

Rolle der aktiven Bewegung bei intraspezifischen und interspezifischen Interaktionen von Pilzgemeinschaften

Trotz der jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet ist unser Wissen über die Interaktionen und den Zusammenbau von Gemeinschaften in Fadenpilzen noch begrenzt [1, 42, 43, 44]. Wir argumentieren, dass diese Forschung von der expliziten Anerkennung von Pilzen profitieren wird aktive Bewegung in seinem ökologischen Kontext. Im Folgenden greifen wir Themen im Zusammenhang mit pilzlichen intraspezifischen und interspezifischen Interaktionen aus dem Blickwinkel der Bewegungsökologie auf. Nämlich Myzelauswuchs als eine Form der Ausbreitung, Myzel- und Hyphensuche, Interferenzkonkurrenz und Myzeltranslokation bei der klonalen Subventionierung.

Wachstum und Verbreitung

Filamentöse Pilze können sich aus kleinen Hyphenfragmenten regenerieren. Das bedeutet, dass jede Art von Wachstum auch ein Ausbreitungspotenzial birgt. Diese Art der Ausbreitung wurde jedoch selten im Kontext der Bewegungsökologie thematisiert, was unserer Meinung nach eine verpasste Chance ist. Da sich beispielsweise die Kolonisation nicht nur auf die Produktion und Freisetzung von Sporen beschränkt, dann die grundlegenden bewegungsökologischen Fragen, warum der Pilz im Explorationsmodus wächst (zB aktive Vermeidung von Konkurrenten, Suche nach verschiedenen Ressourcen), wie kann er das tun? es (z. B. die Veränderung der Myzelarchitektur oder der Wachstumsrate) und wann und wo zu erforschen ist (z. B. welche Hinweise bestimmen die Hyphenrichtung) würde seine Kolonisationsfähigkeit besser widerspiegeln und uns einen detaillierteren Einblick in traditionelle mykologische Themen wie Genet-Mapping geben [45 , 46]. Ein Beispiel für diesen Ansatz (d. h. wie sich die Navigationsfähigkeit eines nahrungssuchenden Pilzindividuums auf die Ausbreitung auf Populationsebene auswirkt) wurde bereits von Boddy et al. [47]. Die Autoren entschieden sich, die Ausbreitung durch Myzelwachstum und die Ressourcenaufnahme (Nahrungssuche) als fast synonyme Begriffe zu behandeln. Wir stellen uns vor, dass diese Art von Terminologie die meisten Tierökologen überraschen wird. Es folgt jedoch genau und korrekt der Biologie und Bewegungsökologie von Fadenpilzen.

Strategien zur Nahrungssuche und Nischenaufteilung

Pilzökologen haben seit langem die Existenz verschiedener Strategien zur Nahrungssuche erkannt, während ein Pilz Ressourcen erforscht. Dazu gehören die Bildung von Myzelsträngen für die Nahrungssuche [19], die Fähigkeit, ein Hindernis zu überwinden, oder Entscheidungen zur Nahrungssuche in Gebieten mit divergierendem Ressourcenangebot [10]. Agerer [48] beschreibt bis zu acht Strategien zur Nahrungssuche, die Wurzel-Mutualistic-Pilze aufweisen. Boddy und Jones [19] wiesen auf die morphologische Variabilität bei Pilzarten hin, die als „Phalanx- oder Guerilla“-Strategie zur Nahrungssuche identifiziert werden kann. Untersuchungen zu Hyphenbewegungen im mikroskopischen Maßstab zeigen auch, dass Strategien zur Nahrungssuche (Raumsuchalgorithmen) unterscheiden sich zwischen den Arten [49].

Die Verwendung des bewegungsökologischen Rahmens führt dazu, diese Erkenntnisse im Hinblick auf das Zusammenleben zu diskutieren. Wenn sich Arten beispielsweise in Bezug auf die Nahrungssuche in Bezug auf die Wirksamkeit der Erforschung unterschiedlicher Geometrien unterscheiden, kann dies zu einer räumlichen Nischenaufteilung führen.

Aktiver Bewegungs- und Pilzinterferenzwettbewerb

Interferenzwettbewerb (auch bekannt als Pilzbekämpfung) ist ein gut dokumentierter Faktor für die Versammlung von Pilzgemeinschaften. Wir glauben, dass das Rahmenwerk der Bewegungsökologie hier eine neue Perspektive bieten kann, da aktive Bewegung spielt in zweifacher Hinsicht eine wichtige Rolle: im präventiven Wettbewerb und beim Myzeltransport.

Präventiver Wettbewerb wurde als einer der Hauptgründe für den Wettbewerb durch Pilzinterferenzen identifiziert [50]. In der Pilzökologie ist bekannt, dass die Wahrscheinlichkeit, den Kampf zu gewinnen, umso höher ist, je größer das Territorium des Myzels zum Zeitpunkt des Kontakts mit dem Konkurrenten ist [50,51,52,534]. Die Fähigkeit, den verfügbaren Raum (d. h. Primärressourcenerfassung) zu umgehen, wird durch die Wachstumsrate des Myzels gegeben. Genau wie beim gerichteten Hyphenwachstum kann auch diese Art des Wachstums als aktive Bewegung angesehen werden: Denn der Anreiz, Biomasse über den Raum zu verlagern, ist nicht nur entwicklungsbezogen (Wachstum), sondern auch ökologisch (Revier- und Nährstoffaufnahme). Es ist also nicht nur eine Analogie zum Tierwachstum (Erhöhung der Biomasse), sondern auch zur Steigerung der Fitness des Tieres durch Gewinnen und Erhalten eines Territoriums mit seinen Ressourcen (Biomasse-Translokation). Außerdem wird das präventive Wachstum auch durch die Navigationsfähigkeit des Pilzes beeinflusst und kann als ein wichtiges Merkmal für die interspezifische Variabilität angesehen werden.

Damit der Heimatvorteil (Gebietsgröße) funktioniert, muss das Myzel nicht nur die Ressourcen belegen. Interferenzkonkurrenz ist ressourcenintensiv und in einer Umgebung mit uneinheitlicher Ressourcenverteilung können die Ergebnisse auch von den Unterschieden in der Fähigkeit des Pilzes abhängen, Ressourcen effektiv über den Myzeltransport zu integrieren [17]. Vielleicht weil dies eine naheliegende Schlussfolgerung ist und aufgrund technischer Schwierigkeiten bei der Messung [55] wurde die Transportfähigkeit des Myzels - unseres Wissens - in Pilzbekämpfungsexperimenten nicht explizit berücksichtigt (dh nicht quantifiziert) (aber siehe Lindahl et al.[53]). Vielmehr wird in der Regel die Größe des Territoriums gemessen und der Einfluss des Transports auf das Ergebnis der Myzel-Bekämpfung zusammen mit anderen Artenmerkmalen, wie der Fähigkeit, bestimmte biochemische Wirkstoffe zu produzieren, oder morphologischen Befestigungen schwarz eingerahmt. Eine aktuelle Studie von Kolesidis et al. [50], das unserer Meinung nach den Stand der Technik bei Konkurrenzstudien mit Pilzinterferenzen darstellt, identifizierte sechs Parameter, die das Kampfergebnis vorhersagen können. Darunter die Myzel-Erweiterungsrate und die relative Größe der bekämpfenden Myzelien (siehe oben: Präventiver Wettbewerb). Die Fähigkeit, Ressourcen zu verlagern, ist an diesen Parametern beteiligt, und das parametrisierte Modell, ohne es als separaten Parameter zu entwirren, kann immer noch das Wettbewerbsergebnis vorhersagen. Dies kann jedoch - wie die Autoren auch diskutieren - in anderen Fällen nicht der Fall sein, beispielsweise in einer natürlichen Umgebung mit uneinheitlicher Ressourcenverteilung. Tatsächlich wurde das Experiment unter Verwendung eines homogenen Agarmediums durchgeführt. In der Natur, wo Ressourcen uneinheitlich über größere räumliche Skalen verteilt sind, kann die interspezifische Variabilität der Transportkapazität eine große Rolle spielen. Die Existenz einer solchen Variabilität wurde bereits in anderen Kontexten als der Interferenzkonkurrenz gezeigt [15].

Im Kontext der Interferenzkonkurrenz wurde die Bedeutung der Transportfähigkeit, obwohl nicht als Merkmalswert über die Arten bewertet, in mehreren Studien direkt oder indirekt gezeigt. Wenn zusätzliche Ressourcen zur Verfügung gestellt wurden Grünblättriger Fasciculare und Phanerochaete velutina, gab es keinen Unterschied in der Kampffähigkeit in Bezug auf die Position dieser Ressource (die entweder distal oder proximal der Kampfzone war) [51]. Dies deutet darauf hin, dass die Ressourcen aus dem distalen Teil in der Interferenzzone leicht verfügbar waren. In einer anderen Studie wurden die Ressourcengrundlagen zweier Arten (eine Saprobier- und eine Mykorrhiza-Art) durch eine Bodensäule getrennt. Dennoch bestimmte die Größe der Ressourcenbasis das Ergebnis der Interferenzinteraktion. Die Größe der Ressource bestimmte auch die Morphologie in der Interferenzzone. Dies ist ein explizites Beispiel für die Beteiligung myzelialer Translokationen am Ergebnis des Interferenzwettbewerbs [53]. Der Transport kann auch als einer der Gründe für die Beobachtung angenommen werden, dass die räumliche Konfiguration von Myzelien das Kampfergebnis unabhängig von der Myzelgröße beeinflusst [56].

Angesichts unseres Wissens über die Bedeutung des Myzeltransports im Interferenzwettbewerb und unseres Wissens über die Variabilität der Transportfähigkeiten aus verschiedenen Forschungskontexten können wir uns Studien vorstellen, die den Einfluss des Myzeltransports auf den Interferenzwettbewerb expliziter verfolgen: Mit Myzeltranslokationen als Bewegungsmerkmalswert über verschiedene Arten quantifiziert. Und mit den Myzeltranslokationen als aktive Bewegung Phänomene, bei denen Fragen wie wann und wohin sich bewegen im Mittelpunkt stehen. Also ähnlich wie Bewegungsökologen die Beziehung zwischen Bewegung und Konkurrenz betrachten.

Nährstofftranslokation in einer heterogenen Umgebung und klonale Subventionierung

Wie oben beschrieben, können filamentöse Pilze den Myzeltransport nutzen, um Ressourcen aus verschiedenen Patches zu integrieren, aber diese Bewegungsfähigkeit (Eigenschaft) unterscheidet sich zwischen den Arten [15]. Es ist daher möglich, dass die Koexistenz der Arten neben dem Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Ressourcenintegration und schnellerem Wachstum gefördert werden kann. In ähnlicher Weise können sich Arten in der Fähigkeit unterscheiden, Metaboliten in die Teile des Myzels zu transportieren, in denen das Wachstum aufgrund lokal ungünstiger Umweltbedingungen vorübergehend nicht möglich ist (für einen möglichen Kompromiss zwischen Pilznetzwerkkosten und Transporteffizienz siehe Heaton et al. [55 .] ]). The ability to transport nutrients and metabolites across the entire mycelium (i.e. genet) in order to support local parts (ramets) is a feature not unique to filamentous fungi. It connects them for example to clonal plants, where the impact of this form of active movement has been already studied within the coexistence context (see below and [57]).


Hijacked Cell Division Helped Fuel Rise of Fungi

A new study finds that the more than 90,000 species of mushrooms, molds, yeasts and other fungi found everywhere in the soil, water and air may owe their abilities to grow, spread, and even cause disease to an opportunistic virus they caught more than a billion years ago.

In the May 10 issue of eLife, researchers from Duke University and Stanford University suggest that a viral protein may have invaded the genomes of early fungi and hijacked their cell division control machinery, duping fungi into making more viruses as the fungal cells grew and divided. The viral protein was eventually adopted by its host and incorporated into the fungal genome, generating a family of proteins that are now critical to producing spores, invading host tissues and other fungal characteristics.

“The event could have triggered or facilitated the emergence of the entire fungal kingdom,” said lead author Nicolas Buchler, assistant professor of biology at Duke.

The research could one day help scientists develop new types of antifungal drugs that inhibit cell division in fungi but not in their plant or animal hosts, Buchler said.

The cycle of cell growth and division is under tight control. Without it, living things couldn’t go from a single fertilized egg to an adult, replace worn-out cells or heal from damage. Unchecked, cell division can lead to cancer in humans and other animals.

Studies in recent decades have shown that the molecular machinery plants and animals use to control this process includes some proteins that bear little similarity to their counterparts in fungi.

In plants and animals, a family of proteins called E2F transcription factors control the early stages of cell division, turning genes on and off as needed as one cell prepares to split into two. A different protein called SBF plays the same role in fungi.

Which raises the question: If the cell cycle control proteins in animals and plants are more or less the same, how did a protein that serves the same function in fungi -- which are more closely related to animals than either group is to plants -- come to be so different?

To find out, Buchler and colleagues scoured the genome sequences of hundreds of eukaryotes, the group of living things that includes all fungi, plants and animals, including humans.

They checked amoebas, algae, and other organisms for cell cycle control proteins similar to the SBF protein found in fungi, but nothing turned up.

The only matches weren’t in plants or animals at all, but in viruses. The results suggest that fungi acquired their SBF protein independently after diverging from animals about a billion years ago, most likely from a virus that infected the fungal ancestor’s cells and infiltrated its genome.

The virus likely commandeered its host’s cell cycle controls for its own benefit, but fungi may have found the protein useful and adopted it through a process known as horizontal gene transfer.

By zeroing in on these virally-derived genes, which now play key roles in fungal growth, scientists may be able to identify new ways to fight fungi that cause disease, the researchers say.

Life-threatening fungal infections such as cryptococcal meningitis and fungal pneumonia kill one and a half million people every year. Such infections can be especially dangerous for people with impaired immune systems, including organ transplant recipients or those with cancer or HIV.

Fungal pathogens aren’t limited to people. Rotting and plant disease in crops, white-nose syndrome in bats and colony collapse disorder in bees are all caused by fungi.

Now the researchers are trying to understand how the cell cycle control machinery of fungi was co-opted without wreaking havoc on the life of the cell.

They are focusing on fungi that branched off early, near the base of the fungal family tree, such as soil-dwelling fungi called chytrids. Cell division in these species is thought to be controlled by both the E2F protein family and the SBF protein unique to fungi. The pattern suggests that fungal evolution went through a transitional state where both cell cycle controllers coexisted in the ancestor of most fungi, and then E2F was lost and replaced by its viral stand-in.

In experiments with the single-celled fungus Saccharomyces cerevisiae, or brewer’s yeast, Buchler and colleagues show that the SBF proteins in yeast can bind to the same snippets of DNA as their E2F counterparts in animals, which supports the idea that SBF was able to take over by activating the same gene targets its predecessor did.

“The fungal cell cycle never stopped, it just went through a period where it had two control switches competing for the same genetic real estate,” Buchler said.

Other authors on the paper include Edgar Medina and Raluca Gordân of Duke, and Jonathan Turner and Jan Skotheim of Stanford University. This research was supported by the Burroughs Wellcome Fund and the Alfred P. Sloan Foundation, and by grants from the National Institutes of Health, the Defense Advanced Research Projects Agency and the National Science Foundation (1DP2OD008654-01, BAA-11-66, GM092925, MCB-14-12045).


Herbivore gut fungi found to produce unique building blocks of antibiotics

Kredit: CC0 Public Domain

For the past several years, chemical engineer Michelle O'Malley has focused her research on the anaerobic fungi found in the guts of herbivores, which make it possible for those animals to fuel themselves with sugars and starches extracted from fibrous plants. O'Malley's work, reflected in multiple research awards and journal articles, has centered on how these powerful fungi might be used to extract value-added products from the nonedible parts of plants—roots, stems and leaves—that are generally considered waste products.

Now, her lab has discovered that those same fungi likely produce novel "natural products," which could function as antibiotics or other compounds of use for biotechnology. The research is described in a paper titled "Anaerobic gut fungi are an untapped reservoir of natural products," published in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

All living things are equipped with natural defenses to ensure their survival. Microbes often depend on synthesized natural products that act as defenses against environmental threats and allow them to compete with other microbes. Many such natural products have served as the source of antibiotics used to fight disease in humans.

Anaerobic fungi, by definition, do not use oxygen to fuel their production of natural products. Thus, said O'Malley, "It costs them a lot more metabolically to make something than it does an aerobe." Further, anything an anaerobic microbe produces has to be carefully "designed" and extremely efficient, since energy is scarce in the oxygen-free microbes.

O'Malley's lab in 2017 provided the U.S. Department of Energy with several anaerobic gut fungi, which were then sequenced as part of a larger collaboration.

"We started seeing something we didn't expect to find: The building blocks—biosynthetic gene clusters, or BGCs—that antibiotics are typically built from," O'Malley said of that work. "BGCs sit near each other on the genome and participate in stepwise chemical reactions. In this case, they are loading a molecule onto an enzyme—chemically decorating it, if you will—and then passing it to another enzymatic module, and in this way, making it into an increasingly complex molecule."

That molecular assembly-line process is important, she says, because it emulates how antibiotics are often made. "BGCs could also be of useful for making value-added chemicals, because they have lot of complex chemistry built in," she added. "So, they might be able to be used as drop-in biofuels, as coatings, and as monomers to make novel materials."

But the most important implications, she said, are the antibiotic possibilities. In the paper, lead author Candice Swift, who earned her Ph.D. in O'Malley's lab and is now a postdoctoral researcher at the University of South Carolina's School of Public Health, demonstrates not only that the BGCs are present where they were not expected to be—anaerobic fungi have never been thought to have antibiotic properties—they are, even more surprisingly, active and actually making something. "They are transcribed," O'Malley noted.

Swift's analysis suggests that the compounds they found have not been identified previously. "We discovered them, and, based on what is known about these biosynthetic gene clusters, they could be making novel antibiotics," O'Malley said. "We haven't shown that definitively here, but it's one possibility that would make sense, because the fungi exist as kind of minority players in their community, so they probably have some edge or ability that allows them to stick around in the face of overwhelming competition. That's what we think they might be doing. We haven't proven it, but it's an attractive way to look at it."

So, if the anaerobic fungi are producing natural antibiotics, how difficult would it be to translate them into use in humans? "If you identify a novel antibiotic, the key to making that at scale is knowing how it's built," O'Malley explained. "That's a big question. We'll try to address that in a follow-up paper, but if you can figure out the genetic recipe for how they're made, it's straightforward to apply it in another system."

O'Malley said that the scientific community "has become pretty good at making antibiotics, recombinantly or through genetic engineering," and that all, or nearly all antibiotics, are derived from natural products—either made in nature or inspired by the compounds that nature builds.

The next stage in this research will involve using genetic tools to boost production and isolate the compounds to figure out exactly what compounds are being made. For that work, O'Malley is partnering with other researchers in the BioPolymers, Automated Cellular Infrastructure, Flow, and Integrated Chemistry Materials Innovation Platform (BioPACIFIC MIP), which the National Science Foundation funded last year as a collaboration between UCSB and UCLA.


Inhalt

There are thousands of known species of molds, which have diverse life-styles including saprotrophs, mesophiles, psychrophiles and thermophiles, and a very few opportunistic pathogens of humans. [10] They all require moisture for growth and some live in aquatic environments. Like all fungi, molds derive energy not through photosynthesis but from the organic matter on which they live, utilizing heterotrophy. Typically, molds secrete hydrolytic enzymes, mainly from the hyphal tips. These enzymes degrade complex biopolymers such as starch, cellulose and lignin into simpler substances which can be absorbed by the hyphae. In this way, molds play a major role in causing decomposition of organic material, enabling the recycling of nutrients throughout ecosystems. Many molds also synthesize mycotoxins and siderophores which, together with lytic enzymes, inhibit the growth of competing microorganisms. Molds can also grow on stored food for animals and humans, making the food unpalatable or toxic and are thus a major source of food losses and illness. [11] Many strategies for food preservation (salting, pickling, jams, bottling, freezing, drying) are to prevent or slow mold growth as well as the growth of other microbes.

Molds reproduce by producing large numbers of small spores, [10] which may contain a single nucleus or be multinucleate. Mold spores can be asexual (the products of mitosis) or sexual (the products of meiosis) many species can produce both types. Some molds produce small, hydrophobic spores that are adapted for wind dispersal and may remain airborne for long periods in some the cell walls are darkly pigmented, providing resistance to damage by ultraviolet radiation. Other mold spores have slimy sheaths and are more suited to water dispersal. Mold spores are often spherical or ovoid single cells, but can be multicellular and variously shaped. Spores may cling to clothing or fur some are able to survive extremes of temperature and pressure.

Although molds can grow on dead organic matter everywhere in nature, their presence is visible to the unaided eye only when they form large colonies. A mold colony does not consist of discrete organisms but is an interconnected network of hyphae called a mycelium. All growth occurs at hyphal tips, with cytoplasm and organelles flowing forwards as the hyphae advance over or through new food sources. Nutrients are absorbed at the hyphal tip. In artificial environments such as buildings, humidity and temperature are often stable enough to foster the growth of mold colonies, commonly seen as a downy or furry coating growing on food or other surfaces.

Few molds can begin growing at temperatures of 4 °C (39 °F) or below, so food is typically refrigerated at this temperature. When conditions do not enable growth to take place, molds may remain alive in a dormant state depending on the species, within a large range of temperatures. The many different mold species vary enormously in their tolerance to temperature and humidity extremes. Certain molds can survive harsh conditions such as the snow-covered soils of Antarctica, refrigeration, highly acidic solvents, anti-bacterial soap and even petroleum products such as jet fuel. [12] : 22

Xerophilic molds are able to grow in relatively dry, salty, or sugary environments, where water activity (aw) is less than 0.85 other molds need more moisture. [13]

  • Acremonium
  • Alternaria
  • Aspergillus
  • Cladosporium
  • Fusarium
  • Mucor
  • Penicillium
  • Rhizopus
  • Stachybotrys
  • Trichodermie
  • Trichophyton

The Kōji ( 麹 ) molds are a group of Aspergillus species, notably Aspergillus oryzae, and secondarily A. sojae, that have been cultured in eastern Asia for many centuries. They are used to ferment a soybean and wheat mixture to make soybean paste and soy sauce. Koji molds break down the starch in rice, barley, sweet potatoes, etc., a process called saccharification, in the production of Sake, shōchū and other distilled spirits. Koji molds are also used in the preparation of Katsuobushi.

Red rice yeast is a product of the mold Monascus purpureus grown on rice, and is common in Asian diets. The yeast contains several compounds collectively known as monacolins, which are known to inhibit cholesterol synthesis. [14] A study has shown that red rice yeast used as a dietary supplement, combined with fish oil and healthy lifestyle changes, may help reduce "bad" cholesterol as effectively as certain commercial statin drugs. [15] Nonetheless, other work has shown it may not be reliable (perhaps due to non-standardization) and even toxic to liver and kidneys. [16]

Some sausages, such as salami, incorporate starter cultures of molds [17] to improve flavour and reduce bacterial spoilage during curing. Penicillium nalgiovense, for example, may appear as a powdery white coating on some varieties of dry-cured sausage.

Other molds that have been used in food production include:

  • Fusarium venenatum – quorn
  • Geotrichum candidum – cheese
  • Neurospora sitophila – oncom
  • Penicillium spp. – various cheeses including Brie and Blue cheese
  • Rhizomucor miehei – microbial rennet for making vegetarian and other cheeses
  • Rhizopus oligosporus – tempeh
  • Rhizopus oryzae – tempeh, jiuqu for jiuniang or precursor for making Chinese rice wine

Alexander Fleming's accidental discovery of the antibiotic penicillin involved a Penicillium mold called Penicillium rubrum (although the species was later established to be Penicillium rubens). [18] [19] [20] Fleming continued to investigate Penicillin, showing that it could inhibit various types of bacteria found in infections and other ailments, but he was unable to produce the compound in large enough amounts necessary for production of a medicine. [21] His work was expanded by a team at Oxford University Clutterbuck, Lovell, and Raistrick, who began to work on the problem in 1931. This team was also unable to produce the pure compound in any large amount, and found that the purification process diminished its effectiveness and negated the anti-bacterial properties it had. [21]

Howard Florey, Ernst Chain, Norman Heatley, Edward Abraham, also all at Oxford, continued the work. [21] They enhanced and developed the concentration technique by using organic solutions rather than water, and created the "Oxford Unit" to measure penicillin concentration within a solution. They managed to purify the solution, increasing its concentration by 45–50 times, but found that a higher concentration was possible. Experiments were conducted and the results published in 1941, though the quantities of Penicillin produced were not always high enough for the treatments required. [21] As this was during the Second World War, Florey sought USA Government involvement. With research teams in the UK and some in the US, industrial-scale production of crystallized penicillin was developed during 1941–1944 by the USDA and by Pfizer. [18] [22]

Several statin cholesterol-lowering drugs (such as lovastatin, from Aspergillus terreus) are derived from molds. [23]

The immunosuppressant drug cyclosporine, used to suppress the rejection of transplanted organs, is derived from the mold Tolypocladium inflatum.

Molds are ubiquitous, and mold spores are a common component of household and workplace dust however, when mold spores are present in large quantities, they can present a health hazard to humans, potentially causing allergic reactions and respiratory problems. [24]

Some molds also produce mycotoxins that can pose serious health risks to humans and animals. Some studies claim that exposure to high levels of mycotoxins can lead to neurological problems and in some cases, death. [25] Prolonged exposure, e.g. daily home exposure, may be particularly harmful. Research on the health impacts of mold has not been conclusive. [26] The term "toxic mold" refers to molds that produce mycotoxins, such as Stachybotrys chartarum, and not to all molds in general. [27]

Mold in the home can usually be found in damp, dark or steamy areas, e.g. bathrooms, kitchens, cluttered storage areas, recently flooded areas, basement areas, plumbing spaces, areas with poor ventilation and outdoors in humid environments. Symptoms caused by mold allergy are: watery, itchy eyes a chronic cough headaches or migraines difficulty breathing rashes tiredness sinus problems nasal blockage and frequent sneezing.

Molds can also pose a hazard to human and animal health when they are consumed following the growth of certain mold species in stored food. Some species produce toxic secondary metabolites, collectively termed mycotoxins, including aflatoxins, ochratoxins, fumonisins, trichothecenes, citrinin, and patulin. These toxic properties may be used for the benefit of humans when the toxicity is directed against other organisms for example, penicillin adversely affects the growth of Gram-positive bacteria (e.g. Clostridium species), certain spirochetes and certain fungi. [28]

Mold growth in buildings generally occurs as fungi colonize porous building materials, such as wood. [29] Many building products commonly incorporate paper, wood products, or solid wood members, such as paper-covered drywall, wood cabinets, and insulation. Interior mold colonization can lead to a variety of health problems as microscopic airborne reproductive spores, analogous to tree pollen, are inhaled by building occupants. High quantities of indoor airborne spores as compared to exterior conditions are strongly suggestive of indoor mold growth. [30] Determination of airborne spore counts is accomplished by way of an air sample, in which a specialized pump with a known flow rate is operated for a known period of time. To account for background levels, air samples should be drawn from the affected area, a control area, and the exterior.

The air sampler pump draws in air and deposits microscopic airborne particles on a culture medium. The medium is cultured in a laboratory and the fungal genus and species are determined by visual microscopic observation. Laboratory results also quantify fungal growth by way of a spore count for comparison among samples. The pump operation time is recorded and when multiplied by pump flow rate results in a specific volume of air obtained. Although a small volume of air is actually analyzed, common laboratory reports extrapolate the spore count data to estimate spores that would be present in a cubic meter of air. [31]

Various practices can be followed to mitigate mold issues in buildings, the most important of which is to reduce moisture levels that can facilitate mold growth. [27] Properly functioning air conditioning (AC) units are essential to controlling levels of indoor airborne fungal spores. Air filtration reduces the number of spores available for germination, especially when a High Efficiency Particulate Air (HEPA) filter is used. A properly functioning AC unit also reduces the relative humidity in rooms. [32] The United States Environmental Protection Agency (EPA) currently recommends that relative humidity be maintained below 60%, ideally between 30% to 50%, to inhibit mold growth. [33] Considering that fungal growth requires cellulose, plant fiber, as a food source, using building materials that do not contain cellulose is an effective method of preventing fungal growth.

Eliminating the moisture source is the first step at fungal remediation. Removal of affected materials may also be necessary for remediation, if materials are easily replaceable and not part of the load-bearing structure. Professional drying of concealed wall cavities and enclosed spaces such as cabinet toekick spaces may be required. Post-remediation verification of moisture content and fungal growth is required for successful remediation. Many contractors perform post-remediation verification themselves, but property owners may benefit from independent verification.

Various artists have used mold in various artistic fashions. Daniele Del Nero, for example, constructs scale models of houses and office buildings and then induces mold to grow on them, giving them an unsettling, reclaimed-by-nature look. [34] Stacy Levy sandblasts enlarged images of mold onto glass, then allows mold to grow in the crevasses she has made, creating a macro-micro portrait. [35] Sam Taylor-Johnson has made a number of time-lapse films capturing the gradual decay of classically arranged still lifes. [36]


Fungal Biology

Series Editors: Gupta, Vijai Kumar, Tuohy, Maria G.

About this series

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Über den Herausgeber

Fungal biology has an integral role to play in the development of the biotechnology and biomedical sectors. It has become a subject of increasing importance as new fungi and their associated biomolecules are identified. The interaction between fungi and their environment is central to many natural processes that occur in the biosphere. The hosts and habitats of these eukaryotic microorganisms are very diverse fungi are present in every ecosystem on Earth. The fungal kingdom is equally diverse, consisting of seven different known phyla. Yet detailed knowledge is limited to relatively few species. The relationship between fungi and humans has been characterized by the juxtaposed viewpoints of fungi as infectious agents of much dread and their exploitation as highly versatile systems for a range of economically important biotechnological applications. Understanding the biology of different fungi in diverse ecosystems as well as their interactions with living and non-living is essential to underpin effective and innovative technological developments. This series will provide a detailed compendium of methods and information used to investigate different aspects of mycology, including fungal biology and biochemistry, genetics, phylogenetics, genomics, proteomics, molecular enzymology, and biotechnological applications in a manner that reflects the many recent developments of relevance to researchers and scientists investigating the Kingdom Fungi.

Rapid screening techniques based on screening specific regions in the DNA of fungi have been used in species comparison and identification, and are now being extended across fungal phyla. The majorities of fungi are multicellular eukaryotic systems and therefore may be excellent model systems by which to answer fundamental biological questions. A greater understanding of the cell biology of these versatile eukaryotes will underpin efforts to engineer certain fungal species to provide novel cell factories for production of proteins for pharmaceutical applications. Renewed interest in all aspects of the biology and biotechnology of fungi may also enable the development of “one pot” microbial cell factories to meet consumer energy needs in the 21st century. To realize this potential and to truly understand the diversity and biology of these eukaryotes, continued development of scientific tools and techniques is essential.

As a professional reference, this series will be very helpful to all people who work with fungi and should be useful both to academic institutions and research teams, as well as to teachers, and graduate and postgraduate students with its information on the continuous developments in fungal biology with the publication of each volume.


Fatty acids and cardiac disease: fuel carrying a message

From the viewpoint of the prevention of cardiovascular disease (CVD) burden, there has been a continuous interest in the detrimental effects of the Western-type high-fat diet for more than half a century. More recently, this general view has been subject to change as epidemiological studies showed that replacing fat by carbohydrate may even be worse and that various polyunsaturated fatty acids (FA) have beneficial rather than detrimental effects on CVD outcome. At the same time, advances in lipid biology have provided insight into the mechanisms by which the different lipid components of the Western diet affect the cardiovascular system. In fact, this still is a rapidly growing field of research and in recent years novel FA derivatives and FA receptors have been discovered. This includes fish-oil derived FA-derivatives with anti-inflammatory properties, the so-called resolvins, and various G-protein-coupled receptors that recognize FA as ligands. In the present review, we will extensively discuss the role of FA and their metabolites on cardiac disease, with special emphasis on the role of the different saturated and polyunsaturated FA and their respective metabolites in cellular signal transduction and the possible implications for the development of cardiac hypertrophy and cardiac failure.

Schlüsselwörter: endocannabinoids fish-oil heart failure inflammation prostaglandins resolvins.

© 2014 Scandinavian Physiological Society. Published by John Wiley & Sons Ltd.


Pathogenic fungi regulate immunity by inducing neutrophilic myeloid-derived suppressor cells

Despite continuous contact with fungi, immunocompetent individuals rarely develop pro-inflammatory antifungal immune responses. The underlying tolerogenic mechanisms are incompletely understood. Using both mouse models and human patients, we show that infection with the human pathogenic fungi Aspergillus fumigatus and Candida albicans induces a distinct subset of neutrophilic myeloid-derived suppressor cells (MDSCs), which functionally suppress T and NK cell responses. Mechanistically, pathogenic fungi induce neutrophilic MDSCs through the pattern recognition receptor Dectin-1 and its downstream adaptor protein CARD9. Fungal MDSC induction is further dependent on pathways downstream of Dectin-1 signaling, notably reactive oxygen species (ROS) generation as well as caspase-8 activity and interleukin-1 (IL-1) production. Additionally, exogenous IL-1β induces MDSCs to comparable levels observed during C. albicans infection. Adoptive transfer and survival experiments show that MDSCs are protective during invasive C. albicans infection, but not A. fumigatus infection. These studies define an innate immune mechanism by which pathogenic fungi regulate host defense.

Copyright © 2015 The Authors. Herausgegeben von Elsevier Inc. Alle Rechte vorbehalten.

Figuren

Fungi Induce Functional MDSCs In…

Fungi Induce Functional MDSCs In Vitro and In Vivo (A) Fungal morphotypes differentially…

Antifungal Functions (A) In vivo.…

Antifungal Functions (A) In vivo. Left panel: survival in the invasive C. albicans…

Fungi Induce MDSCs through a…

Fungi Induce MDSCs through a Dectin-1-, Syk-, and CARD9-Mediated Mechanism (A) Fungal factors…

Fungal MDSC Induction Involves IL-1β,…

Fungal MDSC Induction Involves IL-1β, Caspase-8, and ROS (A) Intracellular accumulation and release…


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