Hur lövskärarmyror odlar en svampträdgård för att bryta ner växter skulle kunna ge inblick i framtida biobränslen

By | February 3, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

pålitlig källa

korrekt


Forskare har ägnat decennier åt att undersöka rena, effektiva sätt att bryta ner växter för användning som biobränslen och andra bioprodukter. En art av myror arbetar med en typ av svamp för att uppnå detta naturligt. Kristin Burnum-Johnson och hennes team satte sig för att undersöka hur detta uppnås på molekylär nivå. Kredit: Mike Perkins och Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory

× nära


Forskare har ägnat decennier åt att undersöka rena, effektiva sätt att bryta ner växter för användning som biobränslen och andra bioprodukter. En art av myror arbetar med en typ av svamp för att uppnå detta naturligt. Kristin Burnum-Johnson och hennes team satte sig för att undersöka hur detta uppnås på molekylär nivå. Kredit: Mike Perkins och Nathan Johnson | Pacific Northwest National Laboratory

Forskare har ägnat decennier åt att leta efter sätt att effektivt och prisvärt bryta ned växtmaterial så att de kan omvandlas till användbara bioprodukter som gynnar vardagen.

Biobränslen, tvättmedel, näringstillskott och till och med plast är resultatet av detta arbete. Och medan forskare har hittat sätt att bryta ner växter i den utsträckning som krävs för att producera en mängd olika produkter, är vissa polymerer som lignin, som är en huvudingrediens i växtcellväggar, fortfarande otroligt svåra att bryta ner effektivt, överkomliga utan att tillföra föroreningar. miljön. Dessa polymerer kan förbli som avfallsprodukter utan ytterligare användning.

En specialiserad mikrobiell gemenskap bestående av svampar, bladskärarmyror och bakterier är känd för att naturligt bryta ner växter och omvandla dem till näringsämnen och andra komponenter som absorberas och används av omgivande organismer och system. Men att identifiera alla komponenter och biokemiska reaktioner som är nödvändiga för processen är fortfarande en stor utmaning fram till nu.

Kristin Burnum-Johnson, ledare för vetenskapsgruppen för funktionell och systembiologi vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), och ett team av PNNL-forskare har utvecklat en avbildningsmetod som kallas metabolominformerad proteomavbildning (MIPI). Denna metod gör det möjligt för forskare att borra ner till molekylär nivå och se exakt vilka byggstenar som ingår i växtnedbrytningsprocessen, samt vad, när och var viktiga biokemiska reaktioner inträffar som gör det möjligt.

Med denna metod avslöjade teamet viktiga metaboliter och enzymer som stimulerar olika biokemiska reaktioner som är avgörande i nedbrytningsprocessen. De avslöjade också syftet med de bosatta bakterierna i systemet, vilket är att göra processen ännu mer effektiv. Denna kunskap kan appliceras på den framtida utvecklingen av biobränslen och bioprodukter.

Teamets forskning publicerades nyligen i Naturens kemiska biologi.


Kristin Burnum-Johnson, ledare för PNNL:s vetenskapliga grupp för funktionell och systembiologi, berättar om sin forskning som studerar den molekylära komplexiteten i hur lövskärarmyror arbetar med en typ av svamp för att bryta ned svårnedbrytbart växtmaterial som en del av från ett TEDx-föredrag. i Richland, Washington. Kredit: TEDx Talks

Symbiotisk relation mellan bladskärarmyror och svampar avslöjar nyckeln till framgångsrik växtnedbrytning

För sin forskning studerade teamet en typ av svamp känd för sin symbiotiska relation med en art av bladskärarmyror: en svamp som kallas Leucoagaricus gongylophorus. Myrorna använder svampen för att odla en svampträdgård som bryter ned växtpolymerer och andra material. De återstående komponenterna i denna nedbrytningsprocess används och konsumeras av en mängd olika organismer i trädgården, vilket gör att de alla kan frodas.

Myror åstadkommer denna process genom att odla svampar på färska löv i specialiserade underjordiska strukturer. Dessa strukturer blir så småningom trädgårdar av svampar som konsumerar materialet. Bosatta bakteriemedlemmar hjälper till med nedbrytning genom att producera aminosyror och vitaminer som stödjer trädgårdens övergripande ekosystem.

“Miljösystem har utvecklats under miljontals år till perfekta symbiotiska system,” sa Burnum-Johnson. “Hur kan vi lära oss bättre av dessa system än genom att observera hur de utför dessa uppgifter naturligt?”

Men det som gör denna svampgemenskap så svår att studera är dess komplexitet. Medan växter, svampar, myror och bakterier är aktiva komponenter i växtnedbrytningsprocessen, är ingen av dem fokuserad på en uppgift eller finns på en enda plats. Med tanke på den småskaliga storleken på de biokemiska reaktionerna som inträffar på molekylär nivå är det ett otroligt svårt pussel. Men den nya MIPI-avbildningsmetoden som utvecklats vid PNNL gör det möjligt för forskare att se exakt vad som händer under hela nedbrytningsprocessen.

“Vi har nu verktygen för att fullt ut förstå komplexiteten i dessa system och visualisera dem som en helhet för första gången,” sa Burnum-Johnson.

Avslöja viktiga komponenter i ett komplext system.

Med hjälp av en kraftfull laser skannade teamet 12 mikron tjocka sektioner av en svampträdgård, den ungefärliga bredden på matfilm. Denna process hjälpte till att bestämma platsen för metaboliter i proverna, som är överblivna produkter från växtnedbrytning. Denna teknik hjälpte också till att identifiera platsen och förekomsten av växtpolymerer som cellulosa, xylan och lignin, såväl som andra molekyler i specifika regioner. De kombinerade placeringarna av dessa komponenter indikerade hot spots där växtmaterial hade sönderfallit.

Därifrån fokuserade teamet på dessa regioner för att titta på enzymer, som används för att initiera biokemiska reaktioner i ett levande system. Genom att känna till typen och placeringen av dessa enzymer kunde de bestämma vilka mikrober som var en del av den processen.

Alla dessa komponenter tillsammans hjälpte till att bekräfta att svampen är den huvudsakliga nedbrytaren av växtmaterial i systemet. Dessutom fastställde teamet att bakterierna som finns i systemet omvandlade tidigare smälta växtpolymerer till metaboliter som används som vitaminer och aminosyror i systemet. Dessa vitaminer och aminosyror gynnar hela ekosystemet genom att påskynda svamptillväxt och växtnedbrytning.

Burnum-Johnson sa att om forskare hade använt andra, mer traditionella metoder som tar massmätningar av ett systems primära komponenter, såsom metaboliter, enzymer och andra molekyler, skulle de helt enkelt genomsnittet av dessa material, skapa mer brus och maskera information.

“Det späder ut de viktiga kemiska reaktionerna av intresse, vilket ofta gör dessa processer omöjliga att upptäcka”, sa han. “För att analysera de komplexa miljöekosystemen i dessa svampsamhällen behöver vi känna till dessa detaljerade interaktioner. Dessa slutsatser kan sedan tas till ett laboratorium och användas för att skapa biobränslen och bioprodukter som är viktiga i våra dagliga liv.”

Använd kunskap om komplexa system för framtida svampforskning.

Marija Velickovic, kemist och huvudförfattare till tidningen, sa att hon till en början blev intresserad av att studera svampträdgården och hur den bryter ned lignin på grund av projektets svårighet.

“Svampträdgårdar är de mest intressanta eftersom de är ett av de mest komplexa ekosystemen som består av flera medlemmar som arbetar effektivt tillsammans,” sa han. “Jag ville verkligen kartlägga aktiviteter på mikroskalanivå för att bättre förstå varje medlems roll i detta komplexa ekosystem.”

Velickovic utförde alla praktiska experiment i labbet, samlade in material för objektglasen, skannade proverna för att se och identifiera metaboliter i var och en av sektionerna och identifierade hot spots av lignocellulosanedbrytning.

Både Velickovic och Burnum-Johnson sa att de är upprymda över deras lags framgångar.

“Vi har faktiskt uppnått det vi hade för avsikt att göra,” sa Burnum-Johnson. “Särskilt inom vetenskapen är det inte garanterat.”

Teamet planerar att använda sina resultat för framtida forskning, med specifika planer för att studera hur svampsamhällen reagerar och skyddar sig själva bland störningar och andra störningar.

“Vi förstår nu hur dessa naturliga system bryter ned växtmaterial mycket väl,” sa Burnum-Johnson. “Genom att titta på komplexa miljösystem på den här nivån kan vi förstå hur de utför den aktiviteten och dra nytta av den för att producera biobränslen och bioprodukter.”

Mer information:
Marija Veličković et al, Kartläggning av mikrohabitat av lignocellulosanedbrytning av ett mikrobiellt konsortium, Naturkemi Biologi (2024). DOI: 10.1038/s41589-023-01536-7

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *