Двадцать лет назад микробиолог Барри Гуделл, ныне профессор Массачусетского университета в Амхерсте, и его коллеги открыли уникальную систему, которую некоторые микроорганизмы используют для переваривания и переработки древесины. В настоящее время идентифицированы три отряда «грибов бурой гнили», которые могут разрушать биомассу, но подробности механизма неизвестны.
Теперь, используя несколько взаимодополняющих инструментов исследования, Гуделл и его коллеги сообщают о новых подробностях этого неожиданного механизма в действии, который на удивление не включает ферменты, обычные ускорители химических реакций. Вместо этого, грибы Basidiomycota с бурой гнилью используют неферментативный метод биокатализа с хелаторами, который «сильно отличается от того, который используется любым другим изученным микроорганизмом», - говорит он. Хелаторы - это органические соединения, которые связывают ионы металлов, и в этом случае они также генерируют «гидроксильные радикалы», разрушающие древесину и производящие простые строительные блоки.
Описанные сотрудниками Национальной лаборатории Ок-Ридж как «сдвиг парадигмы в понимании грибкового биокатализа для преобразования биомассы», результаты опубликованы в текущем выпуске журнала «Биотехнология для биотоплива». Гуделл говорит: «Наше исследование грибковых систем биоконверсии рассматривает новый механизм, который может быть использован на биоперерабатывающих заводах для «деконструкции» древесной биомассы для преобразования в химические вещества платформы для биополимеров или энергетических продуктов."
Грибы бурой гнили появляются как в северном, так и в южном полушариях и являются одними из наиболее распространенных гнилостных грибов в Северной Америке. Поскольку они возникли относительно недавно, видов бурой гнили меньше, чем более старых видов белой гнили. «Однако из-за их эффективности в деградации древесины грибы бурой гнили стали доминировать, особенно в деградации хвойных пород», - говорит Гуделл, и теперь они доминируют, перерабатывая примерно 80 процентов углерода биомассы хвойной древесины в мире, обнаруженного в основном в великие леса северного полушария.
Гуделл отмечает, что большинство микроорганизмов используют ферменты для расщепления соединений, но ферменты представляют собой огромные молекулы, и их производство физиологически «дорого», потому что они содержат так много азота. «Раньше ученые думали, что эти грибы проделывают отверстия в клеточной стенке, которые пропускают большие ферменты», - отмечает он, - своего рода модель предварительной обработки. «Но, как мы объясняем здесь, это не так."
«Грибы, которые мы изучаем, используют неферментативную каталитическую систему Фентона, опосредованную хелаторами, очень простой процесс, в котором используется перекись водорода, также генерируемая грибковой системой, и железо, обнаруженное в окружающей среде», - говорит Гуделл. Он добавляет, что он и его коллеги считают, что эффективность грибков бурой гнили обусловлена использованием ими системы Фентона, опосредованной хелатором, а не использованием исключительно ферментов, как это делают грибы белой гнили.
Гуделл отмечает: «Эта группа грибов бурой гнили выяснила, как генерировать гидроксильные радикалы на расстоянии, то есть вдали от грибка, чтобы держать их подальше, чтобы радикалы не повредили себя при разрушении древесины.. Гидроксильные радикалы очень повреждают клетки и являются наиболее сильными окислителями, известными в биологических системах.
Для этой работы Гуделл и его коллеги, в том числе его соавтор Джоди Джеллисон, ныне директор Центра сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Университета Массачусетса в Амхерсте, использовали набор методов исследования, включая малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН), суммирование спектроскопия генерации частоты (SFG), инфракрасный анализ с преобразованием Фурье (FTIR), рентгеновская дифракция (XRD), атомно-силовая микроскопия (АСМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), чтобы полностью описать процесс.
Гуделл говорит: «Эти грибы действительно производят ограниченное количество ферментов, но они вступают в действие после неферментативного преобразования действия грибов с использованием хелаторов. Хелаторы являются вторичными метаболитами, функцию которых нелегко проследить с помощью «омики», такие как геномика. Однако, используя множество передовых методов, мы увидели, что некоторые очень маленькие низкомолекулярные соединения проникают в клеточную стенку. В этой новой статье описывается, как это делается».
Гуделл и Джеллисон связывают процесс, который начинается с грибов в просвете - пустом пространстве внутри растительных клеток. Затем, используя свои гифы, нитевидные нити роста, грибы проводят биохимическую атаку на компоненты древесных клеток.
Как объясняет Гуделл, «Эта группа грибов разработала способ разрушения древесного субстрата, сначала распространяя хелаторы в клеточную стенку. Гриб делает хелатор и производит перекись водорода из кислорода, и вместе они начинают переваривать клеточную стенку в сахар, содержащийся в основном строительном блоке дерева, глюкозе, которую гриб может использовать в качестве пищи. Вот как эти грибы едят древесину."