Baza wiedzy

Grzyby żyjące w beztlenowych warunkach przewodu pokarmowego kolonizują materiał roślinny, uwalniając białka enzymatyczne, które przekształcają złożone struktury ścian komórkowych w łatwo przyswajalną formę prostych cukrów.   Około 400 milionów lat temu drzewa stanęły przed wyzwaniem: jak przetrwać, nie będąc zjedzonym żywcem? Ich odpowiedzią były wyjątkowo wytrzymałe ściany komórkowe, wzmocnione ligniną – polimerem tak trwałym, że przez miliony lat żaden organizm na Ziemi nie potrafił go rozbić. Efekt? Martwe pnie drzew nie gniły tylko osiadały na dnie bagien, tworząc coraz grubsze warstwy nierozłożonego drewna. Kiedy dane kopalne zaczęły pokazywać, że około 300 milionów lat temu drzewa nagle zaczęły się rozkładać, naukowcy przypisali to wysychaniu bagiennych ekosystemów. David Hibbett, biolog z Clark University, wyczuł jednak, że to nie cała prawda. Zaintrygowała go śmiała hipoteza Jennifer Robinson: a co jeśli kluczem nie były tylko zmiany klimatu, ale pojawienie się czegoś nowego – organizmu zdolnego skruszyć niezłomną ligninę? Badania zespołu Hibbetta, prowadzone przy wsparciu Departamentu Energii USA, potwierdziły jej intuicję. Okazało się, że grzyby białej zgnilizny wykształciły enzymy rozkładające ligninę dokładnie w tym samym czasie, gdy formowanie się pokładów węgla dramatycznie spadło. To odkrycie ukazało fascynującą prawdę: grzyby nie tylko zmieniły oblicze planety – one dosłownie przepisały jej geologiczną historię. I dziś grzyby są motorem przyrody. Działają jak sprawni kucharze natury – niewidoczni, lecz niezastąpieni, przekształcają martwe tkanki w składniki przydatne dla żywych. Tak jak gotowanie szpinaku ułatwia jego strawienie, tak grzyby “preparują” ściany komórkowe roślin, uwalniając węgiel w formie dostępnej dla innych istot. „Wszyscy żyjemy niejako w jelicie grzybów” – mówi obrazowo Scott Baker, biolog z Pacific Northwest National Laboratory. Gdyby nie Ci cisi robotnicy, którzy bez ustanku rozkładają obumarłą roślinność, obieg materii w ekosystemach zwolniłby do tego stopnia, że rośliny zostałyby odcięte od kluczowych składników odżywczych, które powstają na skutek obiegu materii w przyrodzie. Dziś naukowcy z DOE (U.S. Department of Energy) śledzą ewolucyjną drogę grzybów nie tylko z czystej ciekawości. Rozumiejąc, jak grzyby specjalizowały się w rozkładzie drewna, mogą stworzyć przełomowe technologie produkcji biopaliw. To, co przez miliony lat doskonaliła natura, może wkrótce zasilić zrównoważoną rewolucję przemysłową. Wyjątkowe funkcje grzybów ~Grzyb białej zgnilizny - Schizophyllum commune Grzyby mają twardego przeciwnika. Ściany komórkowe drzew to forteca zbudowana z ligniny – związku, który działa jak naturalny szkielet i pancerz jednocześnie. To właśnie lignina sprawia, że kalifornijskie sekwoje wznoszą się ponad sto metrów w niebo, a amazońskie drzewa kapok dominują nad koronami lasów deszczowych. Obok ligniny czai się celuloza – jej chemiczny kuzyn, nieco łatwiejszy do rozbicia, ale wciąż stanowiący solidną barierę dla większości organizmów. Grzyby jednak nie poddały się. W milionach lat współ ewolucji z drzewami wykształciły coś w rodzaju uniwersalnych wytrychów do tych biochemicznych zamków. Są jedynymi istotami na Ziemi, które naprawdę potrafią rozłożyć lub radykalnie przekształcić ligninę. W rozkładzie celulozy również zostawiają konkurencję daleko w tyle. I tu pojawia się fascynujący paradoks: grzyby wygrywają tam, gdzie przegrywa ludzka technologia. Przemysł bioenergetyczny wciąż szuka sposobu na tani i skuteczny rozkład ligniny – bez tego nie uda się zamienić topoli czy innych niespożywczych roślin w wydajne biopaliwo. Tymczasem obecne metody to albo spalanie ligniny (czyli marnowanie jej potencjału), albo kosztowne obróbki chemiczne o marnej wydajności. Rozszyfrowując grzybowe mechanizmy, możemy skopiować miliony lat ewolucyjnego doświadczenia – i może otworzyć drogę do tańszych i bardziej zrównoważonych technologii w produkcji bioenergii.   Rekonstrukcja ewolucyjnego drzewa grzybów  Grzyby są wszędzie – w lesie, glebie, powietrzu, nawet w naszych domach. Ale dopiero teraz, dzięki genomice (badaniu genów) i proteomice (badaniu białek), możemy zajrzeć do ich biochemicznej kuchni i zobaczyć, jak naprawdę pracują. Wystarczy pobrać próbkę w terenie, a w laboratorium DNA grzyba zdradzi swoje sekrety. Porównując genomy różnych gatunków i śledząc ich ewolucyjne powiązania, naukowcy tworzą coś w rodzaju mapy genetycznych zysków i strat – widzą, co grzyby nabyły, a z czego zrezygnowały w ciągu milionów lat. Mogą też sprawdzić, które geny działają „na pełnych obrotach”, a które drzemią w uśpieniu. To jak podglądanie organizmu w czasie rzeczywistym: raz produkuje enzymy rozkładające drewno, innym razem przechodzi w tryb oszczędzania energii. Zestawiając sekwencje DNA z katalogiem wytwarzanych białek, badacze odkrywają, który gen odpowiada za który enzym. W tej detektywistycznej pracy pomagają zasoby Joint Genome Institute (JGI) <1> i Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) <2> – dwóch flagowych centrów badawczych Departamentu Energii USA, otwartych dla naukowców z całego świata. Zrozumieć zgniliznę  Tak jak różni kucharze stosują różne techniki, tak grzyby dysponują wieloma strategiami rozkładu ligniny, celulozy i pozostałych elementów ścian komórkowych drewna. Biała zgnilizna ~Biała zgnilizna drewna w zaawansowanym stadium rozwoju Chociaż grzyby pojawiły się znacznie wcześniej, to właśnie przedstawiciele tzw. białej zgnilizny jako pierwsi rozwinęli zdolność rozkładu ligniny. Do dziś odgrywają istotną rolę w lasach, pozostawiając po sobie charakterystyczne, łuszczące się i wybielone fragmenty drewna. „Biała zgnilizna to coś niesamowitego” – podkreśla Hibbett. Grzyby białej zgnilizny rozkładają ligninę za pomocą silnych enzymów – białek przyspieszających reakcje chemiczne. Te katalizatory biologiczne rozrywają liczne wiązania w strukturze ligniny, przekształcając ją w proste cukry i uwalniając dwutlenek węgla do atmosfery. Pod względem skuteczności rozkładu ligniny biała zgnilizna wciąż przewyższa wszystkie inne grupy grzybów. Brązowa zgnilizna ~Brunatna zgnilizna w końcowej fazie - pniak świerku W porównaniu z imponującymi możliwościami białej zgnilizny, środowisko naukowe przez długi czas niedoceniało grzybów brązowej zgnilizny, uznając je za słabsze z powodu braku zdolności całkowitego rozkładu ligniny. Barry Goodell, profesor University of Massachusetts Amherst, wspomina swoje studia w latach 80.: „Wykładowcy mówili o nich jak o prymitywnych, niedorozwiniętych organizmach”. Ale grzybów nie należy lekceważyć. Mimo że brązowa zgnilizna stanowi zaledwie 6 procent gatunków rozkładających drewno, odpowiada za degradację aż 80 procent sosny i innych drzew iglastych na świecie. Badania prowadzone we współpracy z Joint Genome Institute JGI w 2009 roku ujawniły zaskakującą prawdę: brązowa zgnilizna wcale nie jest prymitywna w stosunku do białej. Wręcz przeciwnie – ewoluowała z wczesnych form grzybów białej zgnilizny. W procesie ewolucji te gatunki faktycznie utraciły geny kodujące enzymy rozkładające ligninę. Ewolucja grzybów białej zgnilizny najprawdopodobniej odegrała kluczową rolę w rozpoczęciu się procesu rozkładu drzew około 300 milionów lat temu. Współczesnym przykładem grzyba białej zgnilizny jest Schizophyllum commune. Podobnie jak dobrzy kucharze dostosowują się do nowej kuchni, ewolucja doprowadziła grzyby brązowej zgnilizny do odkrycia bardziej optymalnej strategii. Zamiast polegać wyłącznie na energochłonnych enzymach, uzupełniły je efektywniejszym procesem zwanym „reakcją Fentona z udziałem chelatorów” (CMF). W tym mechanizmie powstaje nadtlenek wodoru i inne reaktywne cząsteczki chemiczne, które reagują z żelazem obecnym naturalnie w środowisku, prowadząc do degradacji drewna. Zamiast całkowicie rozkładać ligninę, proces ten modyfikuje ją na tyle, by grzyb mógł dotrzeć do pozostałych składników ściany komórkowej. To odkrycie niosło ze sobą jeden problem. Teoretycznie reakcja CMF jest tak silna, że powinna zniszczyć zarówno sam grzyb, jak i jego enzymy. „Powinien sam siebie unicestwić” – zauważa Jonathan Schilling, profesor nadzwyczajny z University of Minnesota. Główna hipoteza naukowców zakładała, że grzyb tworzy fizyczną barierę między reakcją a enzymami. Aby to sprawdzić, Schilling i jego zespół hodowali grzyb brązowej zgnilizny na bardzo cienkich fragmentach drewna. Obserwując pracę grzyba, dostrzegli coś fascynującego: separacja nie następuje w przestrzeni, lecz w czasie <3>. Najpierw grzyb aktywuje geny odpowiedzialne za korozyjną reakcję chemiczną. Dwa dni później włącza geny produkujące enzymy. Biorąc pod uwagę, że rozkład pnia może trwać lata lub nawet dekady, 48 godzin to zaledwie moment. Naukowcy nadal debatują, jak dużą rolę odgrywa proces CMF. Schilling i badacze o podobnych poglądach uważają, że enzymy pozostają kluczowym elementem, podczas gdy badania Goodella sugerują, że większość pracy wykonują reakcje CMF. Zespół Goodella wykazał, że reakcje CMF mogą rozłożyć nawet 75 procent masy kawałka sosnowego drewna. Niezależnie od ostatecznej odpowiedzi, proces CMF otwiera duże możliwości dla biorafinerii. Wykorzystanie wstępnej obróbki stosowanej przez grzyby brązowej zgnilizny mogłoby pozwolić przemysłowi ograniczyć użycie drogich, energochłonnych enzymów. Ścisłe partnerstwo Nie wszystkie grzyby funkcjonują samodzielnie. Wiele gatunków wchodzi w symbiotyczne relacje ze zwierzętami, w których obie strony świadczą sobie nawzajem niezbędne usługi. Partnerstwo z przeżuwaczami Krowy i inne zwierzęta żywiące się trawą są uzależnione od grzybów jelitowych oraz innych drobnoustrojów, które pomagają im rozkładać ligninę, celulozę i pozostałe składniki ścian komórkowych roślin. Choć grzyby stanowią zaledwie 8 procent mikrobioty jelitowej, odpowiadają za rozkład aż połowy spożywanej biomasy. Aby ustalić, które enzymy produkują grzyby jelitowe, Michelle O’Malley i jej zespół z University of California w Santa Barbara hodowali kilka gatunków tych grzybów na lignocelulozie, a następnie podawali im proste cukry. Gdy grzyby otrzymały łatwo przyswajalny pokarm, zaprzestały energochłonnego rozkładu ścian komórkowych – analogicznie do sytuacji, gdy zamawiamy jedzenie na wynos zamiast gotować w domu. W zależności od dostępnego źródła pokarmu grzyby „wyłączały” wybrane geny i zmieniały profil produkowanych enzymów. Badacze odkryli, że te grzyby wytwarzają setki enzymów więcej niż szczepy wykorzystywane przemysłowo. Co więcej, enzymy te współpracują ze sobą, osiągając skuteczność przewyższającą obecne procesy przemysłowe. „To była ogromna różnorodność enzymatyczna, jakiej wcześniej nie obserwowaliśmy” – komentuje O’Malley. Najnowsze badania O’Malley wskazują, że przemysł mógłby znacznie zwiększyć wydajność produkcji biopaliw, łącząc zespoły enzymów na wzór tych produkowanych przez grzyby jelitowe. Termity jako hodowcy grzybów Niektóre grzyby działają poza układem pokarmowym zwierząt – tak jest w przypadku symbiozy z termitami. Termity tropikalne rozkładają drewno znacznie skuteczniej niż zwierzęta żywiące się trawą czy liśćmi, mimo że te ostatnie są o wiele łatwiejsze do strawienia. Młode termity najpierw mieszają zarodniki grzybów z drewnem we własnych żołądkach, po czym wydalają tę mieszaninę do specjalnej komory. Po 45 dniach grzybowej fermentacji starsze termity spożywają ten preparat. Finalnie drewno ulega niemal całkowitemu strawieniu. „Uprawa grzybów jako źródła pokarmu przez termity to jedna z najbardziej fascynujących form symbiozy na naszej planecie” – mówi Cameron Currie, profesor University of Wisconsin w Madison i badacz z Great Lakes Bioenergy Research Center (DOE). Naukowcy początkowo zakładali, że większość procesu rozkładu zachodzi poza organizmem, nie doceniając wkładu młodych termitów. Hongjie Li, biolog z University of Wisconsin w Madison, postanowił jednak sprawdzić, czy młode osobniki nie zasługują na większe uznanie. Odkrył, że jelita młodych robotnic rozkładają znaczną część ligniny. Co więcej, grzyby współpracujące z termitami nie wykorzystują typowych enzymów charakterystycznych dla białej czy brązowej zgnilizny. Ponieważ grzyby i mikrobiota jelitowa związane z termitami ewoluowały stosunkowo niedawno, to odkrycie może otworzyć drogę do innowacyjnych rozwiązań biotechnologicznych. Z laboratorium do zakładu produkcyjnego Od leśnej ściółki po kopce termitów – procesy rozkładu prowadzone przez grzyby mogą dostarczyć przełomowych narzędzi dla przemysłu biopaliw. Jedną ze ścieżek jest bezpośrednia produkcja enzymów i związków chemicznych wytwarzanych przez grzyby oraz towarzyszącą im mikrobiotę. Analiza systemów termit-grzyb ujawniła setki unikalnych enzymów o nieznanym wcześniej potencjale. „Przeszukujemy geny w poszukiwaniu superenzymu, który będzie można zastosować na skalę przemysłową” – wyjaśnia Li. Jeszcze bardziej obiecującą strategią może być transfer genów kodujących te enzymy do organizmów, które przemysł już potrafi hodować na dużą skalę, takich jak drożdże czy bakterie E. coli. Najbardziej radykalnym, lecz potencjalnie najbogatszym w możliwości podejściem jest odtworzenie naturalnych wspólnot grzybowych w warunkach przemysłowych<4>. Przez miliony lat grzyby pracowały jako niezauważeni specjaliści od rozkładu drewna i innych tkanek roślinnych. Dzięki pogłębionemu zrozumieniu ich możliwości naukowcy pomagają nam dostrzec, jak fundamentalną rolę odgrywają w historii Ziemi i jej przyszłości. <1> - https://science.osti.gov/ber/Facilities/User-Facilities/JGI <2> - https://science.osti.gov/ber/Facilities/User-Facilities/EMSL <3> - https://science.osti.gov/ber/Highlights/2017/BER-2017-02-e <4> - https://newscenter.lbl.gov/2017/11/14/biofuel-enzymes-in-microbial-community/ <5> - https://pl.wikipedia.org/wiki/Bia%C5%82a_zgnilizna_drewna <6> - https://www.ekologia.pl/wiadomosci/termity-ekologicznymi-krolami-sawanny/