Biotechnológiai és Mikrobiológiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem)
projekt kezdete
2016-12-01
projekt vége
2017-12-31
aktuális összeg (MFt)
5.234
FTE (kutatóév egyenérték)
0.76
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Feltételezhetően a klímaváltozás miatt Európában folyamatosan emelkedik a rezisztens növényi, pre- és postharvest patogén gombák által okozott kártételek esetszáma és az általuk mikotoxinnal szennyezett takarmány és élelmiszer mennyisége milliárdos euro veszteséget okozva évente, és veszélyt jelentve a emberi és állati egészségre. Mindezek következtében szükségessé vált új, hatékonyabb antifungális stratégiák kifejlesztése. A fonalas tömlősgombák által termelt stabil szerkezetű, extracelluláris, ciszteinben gazdag antifungális proteinek (cgAFP-k) egy alternatív, biztonságosan alkalmazható megoldást jelenthetnek. In silico vizsgálatunk rámutatott arra, hogy a cgAFP-k tartalmaznak egy evolúciósan konzervált [GXC]-[X3-9]-[C], ún. γ-core motívumot. Előzetes eredményeink alapján a cgAFP-k antifungális hatékonysága nagy mértékben függ a γ-core motívumot felépítő aminosavak fizikai és kémiai tulajdonságaitól. Ezek alapján feltételezzük hogy a cgAFP-k antifungális hatékonysága növelhető a γ-core motívum megfelelő módosításával és az így hatékonyabbá vált cgAFP-k alkalmazhatóak lehetnek biopeszticidként vagy termény tartósítószerként a mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban. Ennek érdekében vizsgáljuk Neosartorya fischeri által termelt cgAFP-knek, ezek γ-core módosított változatainak, továbbá a γ-core peptideknek az antifungális és hemolitikus aktivitását, és gyakorlati alkalmazhatóságát növény és termény modell kísérletekben. A projekt sikeres teljesítése továbblépést jelenthet a cgAFP-k biotechnológiai alkalmazásában, és teljesen új utat nyithat bioaktív proteinek és peptidek fejlesztéséhez a növény- és terményvédelemben aminek világszintű gazdasági és társadalmi hatása lehet.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A diszulfid-hidakat tartalmazó antimikrobiális peptidekben és proteinekben a γ-core motívum központi szerepet játszik funkcionális szempontból. A növényi defenzineknél a γ-core motívumot felépítő aminosavak töltése és hidropátiája befolyásolja a fehérje antifungális hatékonyságát. A szakirodalomban semmiféle információ nem található a γ-core motívum szerepére vonatkozóan a cgAFP-k esetében. Előzetes megfigyeléseink alapján a Penicillium chrysogenum és a Neosartorya fischeri antifungális proteinek γ-core peptid motívumai gombasejt-ölő vagy morfogenetikus változást indukáló hatással vannak a hifára a γ-core motívumot felépítő aminosavak töltésének és hidropátiájának függvényében. In silico kimutattuk hogy a γ-core motívum megfelelő módosítása során a cgAFP megőrzi a feltekeredett, stabil szerkezetét. Ezekre a megfigyelésekre alapozva feltételezzük hogy a cgAFP-k antifungális hatékonysága növelhető a γ-core motívum módosításával. További feltételezésünk az hogy a N. fischeri által termelt cgAFP-k, ezek γ-core módosított változatai és a γ-core peptidek biopeszticidként és termény tartósítószerként alkalmazhatóak lehetnek a mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A projekt kijövő eredményei hasznosak lehetnek az alap és az alkalmazott kutatás számára egyaránt. A mai napig nem található információ a szakirodalomban a γ-core motívum szerepéről a cgAFP-k antifungális hatékonyságára és szelektivitására vonatkozóan. Így a jelen projektben tervezett vizsgáltok nem csupán kiegészítik a jól jellemzett növényi és állati, cisztein-gazdag antimikrobiális proteinekről meglévő ismereteinket, hanem jelentős mértékben hozzájárulnak a γ-core motívum szerepének az összehasonlító megismeréséhez a cgAFP-k antifungális hatékonyságában, gomba-szelektivitásában. A cgAFP-k γ-core motívumait még nem tanulmányozták ezekből a szempontokból. Ez végső soron elengedhetetlen előfeltétele cgAFP-alapú antifungális stratégiák kidolgozásának a növényvédelemben és termény tartósításban, ahol napjainkban alapvető szükség mutatkozik új és a jelenleginél hatékonyabb antifungális hatású vegyületek iránt. Az antifungális peptidek és proteinek számos gyakorlati felhasználási lehetőséggel rendelkeznek mind a növényvédelemben, és a termény tartósításban; továbbá világpiaci lehetőséggel mint antifungális szerek. Ezekből a szempontokból a cgAFP-k ígéretes jelöltként jöhetnek szóba a további optimalizációjuk után. A γ-core motívum módosítása az aminosavak cseréjével lehet a kulcs a cgAFP-k antifungális spektrumának bővítéséhez, hatékonyságuk, és gomba-szelektivitásuk növeléséhez. A jelen projektből megszerzett ismeretek elősegíthetik ezt a célt és az alkalmazási lehetőségüket a mezőgazdaságban és az élelmiszeriparban. Továbbá, érdemes megemlíteni hogy munkánk során Penicillium chrysogenum-ot használunk a cgAFP-k alacsony költségű, nagy mennyiségű megtermeltetésére. Ez a fermentálható fonalasgomba élelmiszer és gyógyszeripari szempontból általában biztonságosnak nyilvánított. Gazdasági szempontból a proteinek nagy mennyiségű fermentációja sokkal költséghatékonyabb mint a kémiai szintézisük és könnyen adaptálható az iparban.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A körülöttünk megtalálható penészgombák fontos szerepet játszanak a mindennapi életünkben. Az emberiség az ősidők óta felhasználja őket számos okból, de a gyógyszer és élelmiszeripari hasznosíthatóságuk (pl. gyógyszerek gyártása, élelmiszerek erjesztése) mellett érdemes megemlíteni hogy képesek a mezőgazdasági szempontból jelentős növényeinket megfertőzni, a takarmányt és az élelmiszert mikotoxinokkal szennyezni milliárdos euro veszteséget okozva a gazdaságban évente, és veszélyt jelentve az emberi és állati egészségre. Védekezni ellenük nehéz, mivel ellenállóak lehetnek a rendelkezésre álló gombaellenes szerekkel szemben. Mindezeknél fogva alapvetően szükség van új és hatékony antifungális stratégiák kifejlesztésére. A más penészgombák által termelt kis tömegű, ciszteinben gazdag antifungális proteinek (AP) ígéretes jelöltek lehetnek ebből a szempontból. Az AP-k tartalmaznak egy evolúciósan konzervált aminosav-motívumot amit γ-core-nak neveznek, és antifungális hatékonyságuk függ ennek a motívumnak az aminosav összetételétől. Munkánk során növelni kívánjuk az AP-k antifungális hatékonyságát a γ-core motívum megfelelő módosításával, és bizonyítani szeretnénk az alkalmazhatóságukat a növényvédelemben és termény tartósításban. Eredményeink elősegítik AP-alapú, biztonságosan alkalmazható, hatásos és költséghatékony biopeszticidek és tartósítószerk kifejlesztését a mezőgazdaság és az élelmiszeripar számára.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Presumably as a consequence of climate change the occurrence of resistant phyto-, pre- and postharvest pathogenic fungi and the number of mycotoxin contaminated feeds and foods are continuously increasing in Europe in the last years causing loss of billions of euros per year and posing severe risks to human and animal health. These facts urge the development of new, and more effective antifungal strategies. The highly stable, extracellular, cysteine-rich antifungal proteins from filamentous Ascomycetes (crAFPs) could offer an alternative, safely applicable solution. Our in silico investigations revealed that all isolated crAFPs contain an evolutionary conserved [GXC]-[X3-9]-[C] consensus γ-core motif. Our preliminary results demonstrated that the antifungal efficacy of crAFPs depends on the physical and chemical properties of the γ-core constituting amino acids. Based on this we hypothesize that the antifungal efficacy of crAFPs is improvable with rational design of the γ-core motif, and the improved crAFPs are applicable as biopesticides and crop preservatives in the agriculture and food industry. We will address this question by investigating different crAFPs produced by Neosartorya fischeri, their γ-core improved variants, and their γ-core peptides by antifungal susceptibility, haemolytic activity, cytotoxicity tests, plant and crop model experiments. The achievements in this project will allow further steps towards the biotechnological application of crAFPs, and open up a completely new avenue for the development of bioactive proteins and peptides with worldwide economic and societal impact on pest control and crop preservation.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. In disulfide containing antimicrobial peptides and proteins the γ-core motif has a central role in function. In the case of plant defensins the charge and hydropathy of the γ-core constituting amino acids have an influence on the antifungal efficacy of the protein. No information is available in the literature about the role of the γ-core motif in crAFPs. Our previous observations on synthetic Penicillium chrysogenum and Neosartorya fischeri antifungal protein γ-core peptides indicated that they can exert fungal cell-killing or morphogenetic changing effect alone depending on the charge and hydropathy of their constituting amino acids. In silico we revealed that rational design of the γ-core motif preserves the folded, stabile structure of crAFPs. Based on these results the basic assumption of the proposed project is that the antifungal efficacy of crAFPs is improvable with modification of the γ-core motif. We also hypothesise that the crAFPs from N. fischeri, their γ-core improved variants, and γ-core peptides could be applicable as biopesticides and crop preservatives in the agriculture and food industry.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The expected results of the proposed project could be interesting for both basic and applied researches. Until today there is no information in the literature about the role of the γ-core motif in the antifungal efficacy and fungal-selectivity of crAFPs. Hence, the proposed studies in present application will not only complement the knowledge of already well-characterized small, cysteine-rich antimicrobial proteins from plants and animals, but will significantly contribute to a comprehensive understanding of the role of the γ-core motif on the antifungal efficacy and fungal-selectivity of crAFPs. The γ-core motif of crAFPs has not been studied yet from the above detailed aspects. This, finally, is an essential prerequisite for the development of crAFP-based antifungal strategies in the plant protection and crop preservation, where new and more effective antifungal compounds are substantially demanded recently. Antifungal peptides and proteins have great potential in the field of pest control and crop preservation, and also have significant commercial potential on the global market for antifungals. In this respect, crAFPs are also promising candidates after their further optimization. Improvement of the γ-core motif with amino acid changes could be the key to wider their antifungal spectrum and to make them more effective and fungal-selective. The gained knowledge from present project could trigger this goal and their potential application in the agriculture and food industry. Furthermore, it is worth to mention that in the proposed project crAFPs can be produced cost-effectively and in high yields in the fermentable and generally recognized as safe (GRAS) microorganism Penicillium chrysogenum. From an economic view, the generation of high yields of antifungal proteins by fungal fermentation is more cost-effective than protein synthesis and easily adaptable in industry.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Moulds are surrounding us playing an important role in our everyday life. Mankind uses them for several reasons from ancient times, but beside their benefits in pharmaceutical and food industry (e.g. drug production, food fermentation); they could infect agriculturally important plants and contaminate feed and food with mycotoxins causing loss of billions of euros per year and posing severe risks to human and animal health. Defence against these harmful moulds is problematic because they can show resistance to the available protective agents. Therefore there is a substantial demand for the development of new and effective antifungal strategies. The small, cysteine-rich antifungal proteins (AP) from other moulds are promising candidates in this respect. They contain an evolutionary conserved amino acid motif named γ-core. The antifungal efficacy of the APs depends on the amino acid constitution of this motif. In this project we would like to improve the antifungal efficacy of APs with rational design of the γ-core motif, and prove their applicability in the plant protection and crop preservation. Our results will trigger the development of AP-based, safely applicable, efficient and cost-effective biopesticides and preservatives in the agriculture and food industry.
Projekt eseményei
2019-04-09 15:12:36
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Mikrobiológiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Biotechnológiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem).
