Как грибы делают питательные вещества доступными для миру

Чтобы не быть съеденными заживо, деревья около 400 миллионов лет назад развили чрезвычайно прочные клеточные стенки. Миллионы лет ничто не могло разложить лигнин — самое прочное вещество в этих стенках. Когда около 300 миллионов лет назад в летописи окаменелостей появились признаки разложения деревьев, биолог Дэвид Хиббетт из Университета Кларка заподозрил, что дело не только в изменении экосистем. Его исследования подтвердили теорию Дженнифер Робинсон: группа грибов, известных как «грибы белой гнили», эволюционировала способность разлагать лигнин примерно в то же время, когда образование угля резко сократилось.

Грибы по-прежнему незаменимы. Они делают питательные вещества доступными для других организмов, разрушая клеточные стенки растений, включая лигнин.

«Мы все живем в пищеварительном тракте грибов», — сказал Скотт Бейкер из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE).

Особые способности грибов

Грибы — единственный крупный организм, способный разрушать или значительно модифицировать лигнин. Они также намного лучше расщепляют целлюлозу, чем большинство других организмов, и даже лучше, чем люди и созданные нами машины.

Биоэнергетическая промышленность пока не может эффективно и экономично разрушать лигнин, что необходимо для превращения непродовольственных растений, таких как тополя, в биотопливо. Изучение того, как грибы разлагают лигнин и целлюлозу, может сделать эти процессы более доступными и устойчивыми.

Понимание типов гниения

Белая гниль

Грибы белой гнили были первыми, кто научился разлагать лигнин. Для этого они используют мощные ферменты, которые расщепляют химические связи лигнина, превращая его в простые сахара.

Бурая гниль

Долгое время считалось, что грибы бурой гнили слабы, поскольку не могут полностью разложить лигнин. Однако они разлагают 80% сосен и других хвойных деревьев мира. Оказалось, что бурая гниль эволюционировала из ранних грибов белой гнили, потеряв гены, кодирующие ферменты, разрушающие лигнин.

Вместо этого они используют более эффективный процесс «хелатор-опосредованной реакции Фентона» (CMF). Этот процесс производит перекись водорода и другие химические вещества, которые реагируют с железом в окружающей среде, чтобы модифицировать лигнин.

Исследования Джонатана Шиллинга показали, что гриб разделяет этот процесс во времени: сначала запускает коррозионную реакцию, а через два дня экспрессирует гены для создания ферментов.

Исследования Барри Годелла показывают, что CMF-реакции могут разжижать до 75% куска сосновой древесины. Этот процесс предлагает большой потенциал для биоперерабатывающих заводов, позволяя использовать меньше дорогих, энергоемких ферментов.

Партнерства с животными

Грибы в рубце

Коровы и другие травоядные животные зависят от кишечных грибов и других микроорганизмов в расщеплении лигнина и целлюлозы. Грибы составляют лишь 8% кишечных микробов, но разлагают 50% биомассы.

Исследования Мишель О’Мэлли показали, что эти грибы производят на сотни ферментов больше, чем используемые в промышленности, и эти ферменты работают вместе, будучи более эффективными.

Термиты как грибоводы

Тропические термиты гораздо эффективнее разлагают древесину. Молодые термиты смешивают споры грибов с древесиной в своих желудках, а затем выделяют ее в защищенную камеру. После 45 дней грибного разложения старшие термиты поедают эту смесь.

Ученые предполагали, что основное разложение происходит вне кишечника. Однако биолог Хунцзи Ли обнаружил, что кишечник молодых рабочих разрушает большую часть лигнина. Кроме того, участвующие грибы не используют типичные ферменты грибов белой или бурой гнили.

От лаборатории к производству

Грибное разложение может дать новые инструменты для производства биотоплива. Один путь — прямое производство ферментов грибов и ассоциированной микробиоты. Ученые, анализируя системы термитов и грибов, обнаружили сотни уникальных ферментов.

Более перспективный путь — перенос генов, кодирующих эти ферменты, в организмы, которые уже можно культивировать, например, в дрожжи или E. coli. Еще более радикальный, но потенциально плодотворный путь — имитация природных грибных сообществ в промышленности.