Impuls für die Pilzforschung

08.04.2020

Die Zellen von Pilzen können erstmals auch mit einer relativ einfachen mikroskopischen Methode analysiert werden. Forscher aus Würzburg und Cordoba stellen die Neuerung in der Zeitschrift „Frontiers in Microbiology“ vor.

Bei der Expansionsmikroskopie wird das Präparat um mehr als das Vierfache vergrößert. Hier ist ein Keimschlauch von Aspergillus fumigatus vor und nach der Expansion zu sehen; der Maßstab entspricht zehn Mikrometern. Gefärbt wurden die Plasmamembran (türkis) und die Mitochondrien (pink). (Bild: Ulrich Terpitz / Universität Würzburg)

Pilze spielen für die Menschheit eine wichtige Rolle. Im Boden zerlegen sie abgestorbenes organisches Material, so dass es für Pflanzen als Nährstoff zugänglich wird. In industriellen biotechnologischen Anlagen produzieren Pilze täglich Unmengen von Chemikalien und Nahrungsmitteln. Außerdem stellen Pilze sehr komplexe Wirkstoffe her, die Potential für medizinische Anwendungen haben könnten.

Auf der anderen Seite gibt es Pilze, die Nutzpflanzen schädigen oder Menschen krankmachen. Infektionen mit dem Schimmelpilz Aspergillus fumigatus zum Beispiel können tödlich enden – vor allem Menschen mit stark geschwächtem Immunsystem, etwa nach einer Stammzell- oder einer Organtransplantation, sind davon betroffen.

Trotz dieser großen Bedeutung sind Pilze weit weniger gut erforscht als andere Organismen. „Für neue Erkenntnisse in der Pilzbiologie ist es auch nötig, dass möglichst viele Forscherinnen und Forscher Zugang zu modernsten analytischen Methoden erhalten“, sagt Dr. Ulrich Terpitz vom Biozentrum der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Erfolgreich mit Expansionsmikroskopie

Eine solche Methode hat Terpitz‘ Team in Kollaboration mit drei weiteren Arbeitsgruppen entwickelt: Erstmals lassen sich nun auch Pilze mit Hilfe der Expansionsmikroskopie (ExM) darstellen. Diese Methode macht zelluläre Strukturen mit einer Auflösung von unter 60 Nanometern sichtbar – und zwar mit einem konventionellen konfokalen Fluoreszenzmikroskop.

„Das ist zwar weniger als mit hochtechnisierten superauflösenden Fluoreszenzmikroskopen erreicht werden kann, jedoch ist der Zugang zu solchen Anlagen insbesondere für Pilzforscher häufig eingeschränkt. Dagegen sind Standard-Fluoreszenzmikroskope weit verbreitet, und die Expansionsmikroskopie kann in jedem biologischen Labor durchgeführt werden“, sagt Terpitz.

An der Entwicklung mitgewirkt haben die JMU-Arbeitsgruppen von Professor Markus Sauer (Biozentrum) und Dr. Johannes Wagener (Institut für Hygiene und Mikrobiologie) sowie die Gruppe „Molecular Genetics of Fungal Pathogenicity“ um Professor Antonio Di Pietro von der Universität Cordoba in Spanien

Methode bei drei Pilzarten angewendet

Die Vorgehensweise bei der ExM ist laut Terpitz recht einfach: Die gefärbte Pilzprobe wird in ein Polyacrylamid-Hydrogel eingebettet und die fluoreszierenden Farbstoffe im Hydrogel verankert. Nach der Zugabe von Wasser dehnt sich das Polymer wie ein Gummibärchen im Wasserglas aus. Dabei expandiert es auch die fluoreszierenden Farbstoffe in gleichmäßiger Weise.

Zuvor ist allerdings ein Problem zu lösen: Pilze besitzen eine Zellwand, die vor der Expansion entfernt werden muss. Die Forscher verwenden dafür zellwandauflösende Enzyme. „Das Ergebnis ist ein leicht zu handhabendes Protokoll für die ExM von Pilzen, das für verschiedene Pilzspezies einschließlich des klinisch relevanten Aspergillus fumigatus anwendbar ist“, so Terpitz. Die Forscher wandten ihre Methode auch auf die Erreger des Maisbeulenbrands (Ustilago) und der Tomatenwelke (Fusarium oxysporum) an.

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Erarbeitet wurden diese Ergebnisse im Rahmen des transregionalen Sonderforschungsbereichs 124 FungiNet (Jena/Würzburg), der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Als nächstes wollen die JMU-Forscher die Reaktion des Immunsystems auf eindringende Pilze mit der Expansionsmikroskopie darstellen. Dazu bringen sie in Zellkulturen Pilze mit Immunzellen in Kontakt.

Publikation

Götz, R., Panzer, S., Trinks, N., Eilts, J., Wagener, J., Turra, D., Di Pietro, A., Sauer, M., and Terpitz, U.; Expansion microscopy for cell biology analysis in fungi. Frontiers in Microbiology, 3. April 2020, doi: 10.3389/fmicb.2020.00574