A penicillin ipari elllőállítása Penicillium chrysogenum-mal történik. Megvizsgáltuk és összehasonlítottuk a vad típusú NRRL 1951 és a nagy termelőképességű AS-P-78 törzsek laktóz lebontását, amely a penicillin fermentációhoz használt tejsavó egyik fontos összetevője. Mindkét törzs hasonlóan nőtt laktózon, mint egyedüli szénforráson batch kultúrában, és a cukorfogyás idő-profiljuk is szinte azonos volt. A genom szekvenciák in silico elemzéséből kiderült, hogy a P. chrysogenum-ban legalább öt feltételezett béta-galaktozidázt kódoló gén található az alábbi annotált lókuszokon: Pc22g14540 (bgaD), Pc12g11750 (bgaE), Pc16g12750 (bgaA), Pc14g01510 (bgaC) és Pc06g00600 (bgaB). Az első két fehérje orthológnak tűnik két Aspergillus nidulans intracelluláris család laktózon kifejeződő 2 glikozil hidroláz génjével. A többi három P. chrysogenum fehérje az Aspergillus niger extracelluláris β-galaktozidázának (LacA) elkülönült paralógjaként fordul elő, mely a 35-ös (GH35) családba tartozó glikozil hidroláz. A P. chrysogenum genom tartalmaz két feltételezett laktóz transzporter gént is a Pc16g06850 (lacB)és Pc13g08630 (lacA) annotált lókuszokon. Ezek ortológjai a nagy affinitású laktóz permeázt (lacpA) kódoló gének paralógjainak az A. nidulans-ban, melynek az orthológja P. chrysogenum-ból hiányzik. A bgaD transzkripciós elemzése azt mutatta, hogy kizárólag laktózon fejeződik ki, míg bgaE gyengén expresszálódik valamennyi vizsgált szénforráson, beleértve a D-glükózt is. A bgaA együtt expresszálódik a két feltételezett intracelluláris béta-galaktozidáz génnel laktózon és reagál az L-arabinózra is. A lacA kizárólag laktózon fejeződik ki. Az adatok azt sugallják, hogy a P. chrysogenum kettős asszimilációs stratégiával rendelkezik a laktóz lebontására, egyidejűleg alkalmazva az extracelluláris és az intracelluláris hidrolízist, anélkül hogy a lebontás hatékonysága korrelálna a vizsgált törzsek penicillin-termelő potenciáljával. Munkám során elemeztük azon strukturális gének kifejeződésének szénforrás-függését is, melyek feltételezhetően a Leloir-útvonal öt enzimét kódolják P. chrysogenum-ban. A P. chrysogenum genom tartalmaz egy feltételezett galaktokináz gént a Pc13g10140 (galE) annotált lókuszon, ami erős szerkezeti hasonlóságot mutat az élesztők galaktokinázával és csak laktózon, valamint D-galaktózon fejeződött ki. A Pc15g00140 (galD) annotált lókuszon lévő galaktóz-1-foszfát uridilil transzferáz gén expressziós profilja lényegében megegyezik a galaktokinázéval. Ez ellentétes más vizsgált gombafajokkal (A. nidulans, Trichoderma reesei és A. niger), ahol az orthológ galaktokináz és galaktóz-1-foszfát uridilil transzferáz gének konstitutívan expresszálódnak. Az UDP-glükóz-4-epimerázt kódoló gén esetében öt jelöltet azonosítottunk. Nem észleltünk expressziót a Pc16g12790 (ugeE), Pc21g12170 (ugeD) és Pc20g06140 (ugeB) esetén egyetlen tesztelt szénforráson sem, míg a másik két lókusz (Pc21g10370-ugeA és Pc18g01080-ugeC) transzkripciója egyértelműen megfigyelhető volt valamennyi vizsgált körülmény között. A Pc21g10370 lókuszon lévő feltételeztt 4-epimeráz génhoz hasonlóan a Leloir-útvonal másik két feltételezett struktúrgénje – az UDP-glükóz-pirofoszforilázt (Pc21g12790-galF) és foszfoglükomutázt (Pc18g01390-pgmA) kódoló gének - szintén erősen és konstitutívan fejeződött ki, amint az várható is az olyan génektől, amelyek nélkülözhetetlen funkciót töltenek be a gombasejtfal képződésében.

Penicillium chrysogenum is used as industrial producer of penicillin. We investigated its catabolism of lactose, an abundant component of whey used in penicillin fermentation, comparing the type strain NRRL 1951 with the high producing strain AS-P-78. Both strains grew similarly on lactose as the sole carbon source under batch conditions, exhibiting almost identical time-profiles of sugar depletion. In silico analysis of the genome sequences revealed that P. chrysogenum features at least five putative beta-galactosidase-encoding genes at the annotated loci Pc22g14540, Pc12g11750, Pc16g12750, Pc14g01510 and Pc06g00600. The first two proteins appear to be orthologs of two Aspergillus nidulans family 2 intracellular glycosyl hydrolases expressed on lactose. The latter three P. chrysogenum proteins appear distinct paralogs of the extracellular beta-galactosidase from Aspergillus niger, LacA, a family 35 glycosyl hydrolase. The P. chrysogenum genome also specifies two putative lactose transporter genes at the annotated loci Pc16g06850 and Pc13g08630. These are orthologs of paralogs of the gene encoding the high-affinity lactose permease (lacpA) in A. nidulans for which P. chrysogenum appears to lack the ortholog. Transcript analysis of Pc22g14540 showed that it was expressed exclusively on lactose, while Pc12g11750 was weakly expressed on all carbon sources tested, including D-glucose. Pc16g12750 was co-expressed with the two putative intracellular beta-galactosidase genes on lactose and also responded on L-arabinose. Pc13g08630 transcript was formed exclusively on lactose. The data strongly suggest that P. chrysogenum exhibits a dual assimilation strategy for lactose, simultaneously employing extracellular and intracellular hydrolysis, without any correlation to the penicillin-producing potential of the studied strains. In this study, we also analyzed the expression of the structural genes encoding the five enzymes comprising the Leloir pathway of D-galactose catabolism in the industrial cell factory Penicillium chrysogenum on various carbon sources. The genome of P. chrysogenum contains a putative galactokinase gene at the annotated locus Pc13g10140, the product of which shows strong structural similarity to yeast galactokinase that was expressed on lactose and D-galactose only. The expression profile of the galactose-1-phosphate uridylyl transferase gene at annotated locus Pc15g00140 was essentially similar to that of galactokinase. This is in contrast to results from other fungi such as Aspergillus nidulans, Trichoderma reesei and A. niger, where the ortholog galactokinase and galactose-1-phosphate uridylyl transferase genes were constitutively expressed. As for the UDP-glucose-4-epimerase encoding gene, five candidates were identified. We could not detect Pc16g12790, Pc21g12170 and Pc20g06140 expression on any of the carbon sources tested, while for the other two loci (Pc21g10370 and Pc18g01080) transcript was clearly observed under all tested conditions. Like the 4-epimerase specified at locus Pc21g10370, the other two structural Leloir pathway genes – UDP-glucose pyrophosphorylase (Pc21g12790) and phosphoglucomutase (Pc18g01390) – were expressed constitutively at high levels as can be expected from their indispensable function in fungal cell wall formation.