Naukowcy spędzili dziesięciolecia na poszukiwaniu sposobów wydajnej i niedrogiej degradacji materiałów roślinnych, tak aby można je było przekształcić w przydatne bioprodukty przydatne w życiu codziennym.
Wynikiem tej pracy są biopaliwa, detergenty, suplementy diety, a nawet tworzywa sztuczne. I chociaż naukowcy znaleźli sposoby na degradację roślin w stopniu niezbędnym do wytworzenia szeregu produktów, niektóre polimery, takie jak lignina, która jest głównym składnikiem ściany komórkowej roślin, nadal niezwykle trudno jest rozłożyć w przystępnej cenie bez ponownego dodawania substancji zanieczyszczających do środowiska. środowisko. Polimery te można pozostawić jako produkty odpadowe bez dalszego wykorzystania.
Wiadomo, że wyspecjalizowana społeczność drobnoustrojów złożona z grzybów, mrówek liściastych i bakterii w naturalny sposób degraduje rośliny, zamieniając je w składniki odżywcze i inne składniki, które są wchłaniane i wykorzystywane przez otaczające organizmy i systemy. Jednak identyfikacja wszystkich składników i reakcji biochemicznych potrzebnych do tego procesu pozostawała poważnym wyzwaniem – aż do teraz.
W ramach nagrody Departamentu Energii (DOE) za wczesną karierę Kristin Burnum-Johnson, liderka grupy naukowej ds. biologii funkcjonalnej i systemowej w Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) wraz z zespołem innych badaczy z PNNL, opracowała metodę obrazowania zwaną metabolomem świadome obrazowanie proteomu (MIPI). Metoda ta pozwala naukowcom zajrzeć w głąb poziomu molekularnego i dokładnie zobaczyć, jakie podstawowe składniki biorą udział w procesie degradacji roślin, a także jakie, kiedy i gdzie zachodzą ważne reakcje biochemiczne, które to umożliwiają.
Korzystając z tej metody, zespół odkrył ważne metabolity i enzymy, które pobudzają różne reakcje biochemiczne niezbędne w procesie degradacji. Ujawnili także cel obecności bakterii w systemie, czyli uczynienie procesu jeszcze bardziej wydajnym. Spostrzeżenia te można zastosować w przyszłym rozwoju biopaliw i bioproduktów.
Wyniki badań zespołu opublikowano niedawno w czasopiśmie Nature Chemical Biology.
Symbiotyczny związek między mrówkami liściastymi a grzybami ujawnia klucz do sukcesu w degradacji roślin
Na potrzeby badań zespół zbadał rodzaj grzyba znanego z symbiotycznego związku z gatunkiem mrówek liściastych – grzybem znanym jako Leucoagaricus gongylophorus. Mrówki wykorzystują grzyby do uprawy ogrodu grzybowego, który rozkłada polimery roślinne i inne materiały. Pozostałe składniki tego procesu degradacji są wykorzystywane i konsumowane przez różne organizmy w ogrodzie, umożliwiając wszystkim rozwój.
Mrówki osiągają ten proces poprzez hodowlę grzybów na świeżych liściach w wyspecjalizowanych podziemnych konstrukcjach. Struktury te ostatecznie stają się ogrodami grzybowymi, które pochłaniają materiał. Osiadłe bakterie pomagają w degradacji, wytwarzając aminokwasy i witaminy, które wspierają cały ekosystem ogrodu.
„Systemy środowiskowe ewoluowały przez miliony lat, stając się doskonałymi systemami symbiotycznymi” – powiedział Burnum-Johnson. „Jak możemy lepiej uczyć się na tych systemach, niż obserwując, jak w naturalny sposób realizują te zadania?”
Jednak tym, co sprawia, że ta społeczność grzybów jest tak trudna do zbadania, jest jej złożoność. Chociaż rośliny, grzyby, mrówki i bakterie są aktywnymi składnikami procesu degradacji roślin, żadna z nich nie koncentruje się na jednym zadaniu ani nie przebywa w jednym miejscu. Uwzględnij małą skalę reakcji biochemicznych zachodzących na poziomie molekularnym, a pojawi się niezwykle trudna zagadka. Jednak nowa metoda obrazowania MIPI opracowana w PNNL pozwala naukowcom dokładnie zobaczyć, co dzieje się w całym procesie degradacji.
„Mamy teraz narzędzia umożliwiające pełne zrozumienie zawiłości tych systemów i po raz pierwszy wizualizację ich jako całości” – powiedział Burnum-Johnson.
Ujawnianie ważnych elementów złożonego systemu
Za pomocą lasera o dużej mocy zespół wykonał skany fragmentów ogrodu grzybowego o grubości 12 mikronów, co odpowiada przybliżonej szerokości plastikowej folii spożywczej. Proces ten pomógł określić lokalizację w próbkach metabolitów, które są pozostałością po degradacji roślin. Technika ta pomogła również określić lokalizację i liczebność polimerów roślinnych, takich jak celuloza, ksylan i lignina, a także innych cząsteczek w określonych regionach. Połączone lokalizacje tych składników wskazywały gorące punkty, w których doszło do rozkładu materiału roślinnego.
Stamtąd zespół skupił się na tych regionach, aby zobaczyć enzymy wykorzystywane do inicjowania reakcji biochemicznych w żywym organizmie. Znajomość rodzaju i lokalizacji tych enzymów pozwoliła im określić, które drobnoustroje biorą udział w tym procesie.
Wszystkie te składniki razem pomogły potwierdzić, że grzyb jest głównym czynnikiem degradującym materiał roślinny w systemie. Ponadto zespół ustalił, że bakterie obecne w ustroju przekształcają wcześniej strawione polimery roślinne w metabolity wykorzystywane w ustroju jako witaminy i aminokwasy. Te witaminy i aminokwasy przynoszą korzyści całemu ekosystemowi, przyspieszając rozwój grzybów i degradację roślin.
Burnum-Johnson powiedział, że gdyby naukowcy zastosowali inne, bardziej tradycyjne metody, które dokonują zbiorczych pomiarów głównych składników układu, takich jak metabolity, enzymy i inne cząsteczki, po prostu uzyskaliby średnią z tych materiałów, tworząc więcej szumu i maskując informacje .
„Rozrzedza ważne reakcje chemiczne, często czyniąc je niewykrywalnymi” – powiedziała. „Aby przeanalizować złożone ekosystemy środowiskowe tych zbiorowisk grzybów, musimy poznać te najdrobniejsze interakcje. Wnioski te można następnie przenieść z powrotem do warunków laboratoryjnych i wykorzystać do stworzenia biopaliw i bioproduktów ważnych w naszym codziennym życiu”.
Wykorzystanie wiedzy o złożonych systemach do przyszłych badań nad grzybami
Marija Velickovic, chemik i główna autorka artykułu, stwierdziła, że początkowo zainteresowała się badaniem ogrodu grzybowego i sposobu, w jaki rozkłada on ligninę, ze względu na stopień trudności projektu.
„Ogrody grzybowe są najciekawsze, ponieważ stanowią jeden z najbardziej złożonych ekosystemów składających się z wielu elementów, które skutecznie ze sobą współpracują” – stwierdziła. „Naprawdę chciałem zmapować działania na poziomie mikroskali, aby lepiej zrozumieć rolę każdego członka tego złożonego ekosystemu”.
Velickovic przeprowadził wszystkie praktyczne eksperymenty w laboratorium, zbierając materiał na szkiełka, skanując próbki w celu obejrzenia i zidentyfikowania metabolitów w każdej ze skrawków oraz identyfikując gorące punkty degradacji lignocelulozy.
Zarówno Velickovic, jak i Burnum-Johnson powiedzieli, że są zachwyceni sukcesem swojego zespołu.
„Właściwie osiągnęliśmy to, co sobie założyliśmy” – powiedział Burnum-Johnson. „Zwłaszcza w nauce nie jest to gwarantowane”.
Zespół planuje wykorzystać swoje ustalenia do dalszych badań, a konkretnie planuje zbadać, w jaki sposób zbiorowiska grzybów reagują i chronią się w obliczu zakłóceń i innych zakłóceń.
„Teraz rozumiemy, jak te naturalne systemy bardzo dobrze rozkładają materiał roślinny” – powiedział Burnum-Johnson. „Przyglądając się złożonym systemom środowiskowym na tym poziomie, możemy zrozumieć, w jaki sposób wykonują one tę działalność, i wykorzystać to do produkcji biopaliw i bioproduktów”.
Prace sfinansowało Biuro Naukowe DOE. Ponadto badacze uzyskali dostęp do zasobów obrazowania i obliczeń spektrometrii mas oraz proteomiki w Laboratorium Nauk Molekularnych Środowiska, placówce użytkownika Office of Science zlokalizowanej w PNNL.