Микробиом кишечника жука-пассалида помогает лесам и может стать ключом к биоэнергетике

Новое исследование Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) показало, как обычный для востока США жук-пассалид (Odontotaenius disjunctus) с помощью микробиома превращает древесину в энергию, пищу для потомства и питательные вещества для роста леса. Эти данные, опубликованные в журнале Nature Microbiology, могут стать дорожной картой для производства доступных, природных топлив и биопродуктов.

Жуки-древоточцы — неоценимая помощь для леса

В лесах по всему миру грубые древесные остатки составляют огромную биомассу, которую трудно разложить. Для жука-пассалида гниющая древесина — основной источник энергии и питательных веществ. Взрослый жук прокладывает ходы в древесине, предварительно обработанной грибами, ускоряя её разложение и делая углерод доступным для других организмов экосистемы.

Колонии пассалидов могут потреблять более чем в четыре раза больше древесины, чем их собственный вес, в день. Переработанная древесина выделяется в виде фекалий (frass).

Роль микробиома в переработке древесины

Исследователи обнаружили, что фекалии жука содержат в три раза больше азота, чем исходная древесина, а жёсткие растительные полимеры, такие как лигнин и целлюлоза, исчезают. Вместо них образуются богатые энергией продукты, такие как ацетат, а также биотоплива: водород, этанол и метан.

"Этот жук и его микробы разработали то, над чем учёные по всему миру спешат работать — как эффективно превращать древесную биомассу в биотопливо и биопродукты", — сказал ведущий автор исследования Хавьер Сеха-Наварро.

Секрет эффективности: "конвейер" в кишечнике

Используя передовые инструменты молекулярной биологии, спектрометрию и крошечные сенсоры, команда обнаружила, что кишечник жука состоит из специализированных отделов, каждый со своим уникальным микробиомом. Они работают вместе, как производственная линия, превращая древесину в пищу и топливо.

Ключевая инновация природы — способность совмещать биохимические процессы, которые обычно несовместимы. Например, процессы разрушения лигнина требуют кислорода, а ферментация, дающая жуку энергию, нуждается в бескислородной среде.

"Архитектура кишечника жука, такая как длина и толщина его стенок, эволюционировала так, чтобы соответствовать его микробиому", — объяснил Сеха-Наварро.

Это позволяет кислородозависимым реакциям происходить в одном отделе кишечника, отделённом от отделов, где микробы проводят реакции, подавляемые кислородом. Архитектура кишечника также предотвращает утечку некоторых продуктов, таких как водород, чтобы стимулировать производство ацетата — критического источника энергии как для самого жука, так и для его потомства.

Значение для экосистемы и биоинженерии

Пассалиды высоко социальны и заботятся о своём потомстве. Поскольку жук выделяет богатые энергией и питательными веществами фекалии, которыми питается его потомство, молодые жуки также обязаны микробам своих родителей. Эти питательные продукты в конечном итоге возвращаются в лесную почву, поддерживая продуктивность экосистемы.

Исследователи считают, что, изучая, как жуки разделяют биохимию вдоль "производственной линии", можно создавать искусственные системы для производства биопродуктов, имитируя свойства и функции таких систем, как кишечник жука и его микробиом.