Исследование грибов объясняет образование угля и может продвинуть производство биотоплива

Новое исследование, включающее первое крупномасштабное сравнение грибов, вызывающих гниение, предполагает, что эволюция грибов, известных как белая гниль, могла положить конец 60-миллионолетнему периоду отложения угля, известному как каменноугольный период. Угольные месторождения, накопленные в каменноугольном периоде, который закончился около 300 миллионов лет назад, исторически обеспечивали около 50% генерации электроэнергии в США.

Кроме того, исследование дает представление о разнообразных ферментах грибов, которые в будущем могут быть использованы для производства биотоплива — одной из наиболее перспективных альтернатив ископаемому топливу.

Исследование, проведенное командой из 71 ученого из 12 стран, опубликовано в выпуске журнала Science от 29 июня 2012 года.

КОНЕЦ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЭРЫ

Уголь состоит из окаменелых остатков растений, в основном лигнина — сложного полимера, важного компонента клеточных стенок растений. Исследование указывает, что белая гниль, единственные микроорганизмы, способные разлагать лигнин, эволюционировали в конце каменноугольного периода. Эта синхронность не была случайностью.

Согласно исследованию, как только белая гниль, разрушающая лигнин с помощью ферментативной активности, стала экологической силой, она уничтожила огромные скопления древесных остатков, которые в противном случае избежали бы разложения и в итоге окаменели как уголь.

Таким образом, если бы не появление белой гнили, крупные угольные месторождения могли бы продолжать формироваться долгое время после окончания каменноугольного периода. Это подтверждает гипотезу, выдвинутую Дженнифер М. Робинсон в 1990 году.

РАЗРУШЕНИЕ МАТРИКСА

Лигнин существует в клеточных стенках как часть прочной матрицы с целлюлозой — углеводом, состоящим из сахарных субъединиц. Когда белая гниль разрушает лигнин, матрица рушится, и целлюлоза высвобождается, чтобы быть поглощенной грибом в качестве пищи.

Способность белой гнили разлагать лигнин может в конечном итоге помочь решить одну из самых давних проблем крупномасштабного производства биотоплив: получение растительных углеводов для преобразования в биотопливо с помощью процессов ферментации.

В перспективе возможно использовать белую гниль для разрушения лигнина и высвобождения целлюлозы, которую затем можно расщепить на сахара. Эти сахара можно будет скармливать дрожжам для ферментации в спирты — основу для новых биотоплив.

Кроме того, ферменты белой гнили, способные разрушать сложные органические молекулы, исследуются для использования в операциях биоремедиации для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды.

ГЕНОМНЫЕ СРАВНЕНИЯ

Исследование было направлено на реконструкцию эволюции механизмов разложения лигнина у грибов, анализ распределения соответствующих ферментов и определение эволюции кодирующих их генов.

Ученые сосредоточились на большой группе грибов Agaricomycetes, которая включает белую гниль, а также бурую гниль (разрушающую целлюлозу и гемицеллюлозу, но не лигнин) и микоризные виды.

Исследователи сравнили 31 грибной геном, 26 из которых были секвенированы в Объединенном институте генома Министерства энергетики США (DOE JGI), включая 12 специально для этого исследования.

"12 новых последовательностей геномов могут служить ресурсами для промышленных микробиологов, стремящихся разработать новые инструменты для производства биотоплива, биоремедиации или других продуктов", — сказал Дэвид Хиббетт из Университета Кларка, руководивший исследованием.

ЭВОЛЮЦИЯ БЕЛОЙ ГНИЛИ

Исследование также включало отслеживание эволюции лигнин-разлагающих ферментов во времени с помощью анализа молекулярных часов. Этот метод основан на предположении, что гены накапливают мутации с предсказуемой скоростью.

Результаты анализа предполагают, что самый старый предок Agaricomycetes был видом белой гнили, обладавшим множеством лигнин-разлагающих ферментов и жившим примерно 300 миллионов лет назад.

"Наши результаты предполагают, что способность грибов расщеплять лигнин эволюционировала только один раз", — сказал Хиббетт.

Некоторые линии Agaricomycetes сохранили свои лигнин-разлагающие ферменты. В то же время другие линии, включая бурую гниль и микоризные виды, в конечном итоге утратили эти ферменты, разработав альтернативные методы получения питания.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ОТДАЧА

Экономическая ценность грибов уже почти неисчислима: они влияют на сельское хозяйство, медицину и открытие лекарств. Чем больше ученые узнают об этих важных организмах, тем вероятнее, что они найдут для них дополнительные применения на благо экономики, окружающей среды и человеческого благосостояния, а также разработают новые способы борьбы с гнилью, которая наносит большой ущерб.