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进化为吃木材的真菌提供了新的生物质转化工具

二十年前,现在是马萨诸塞大学阿默斯特分校教授的微生物学家Barry Goodell及其同事发现了一种独特的系统,一些微生物用它来消化和回收木材。现已确定三种“褐腐真菌”可以分解生物量,但机制的细节尚不清楚。

进化为吃木材的真菌提供了新的生物质转化工具

现在,使用几种互补的研究工具,Goodell及其同事报告了这种意外机制的新细节,令人惊讶的是,它不涉及酶,化学反应的常用加速器。相反,Basidiomycota褐腐真菌,使用非酶促,螯合剂介导的生物催化方法,“与所研究的任何其他微生物使用的方法非常不同,”他说。螯合剂是结合金属离子的有机化合物,在这种情况下,它们还产生“羟基自由基”以分解木材并产生简单的积木化学品。

橡树岭国家实验室的合作者将其描述为“理解生物质转化的真菌生物催化的范式转变”,这一发现出现在当前的生物技术生物技术杂志上。Goodell说:“我们对真菌生物转化系统的研究着眼于一种新的机制,它可以用于生物炼油厂'解构'木质生物质,转化为生物聚合物或能源产品的平台化学品。”

棕色腐真菌出现在北半球和南半球,是北美最常见的腐烂真菌。因为它们最近进化,与较老的白腐病种相比,褐腐病种类较少。“然而,由于它们降解木材的效率,棕色腐烂真菌已经占据主导地位,特别是在降解软木中,”Goodell说,他们现在主要通过回收世界上大约80%的软木生物量碳,主要发现在北半球的大森林。

Goodell指出,大多数微生物使用酶来分解化合物,但酶是巨大的分子,生理上“昂贵”,因为它们含有大量的氮。“科学家过去认为这些真菌会在细胞壁上形成洞,让大酶进入,”他指出,这是一种预处理模型。“但正如我们在此解释的那样,这不是它的运作方式。”

“我们研究的真菌使用的是非酶催化螯合剂介导的芬顿系统,这是一种非常简单的过程,利用过氧化氢,也是由真菌系统产生的,以及在环境中发现的铁,”Goodell说。他补充说,他和同事们认为褐腐真菌的效率来自于他们使用螯合剂介导的Fenton系统而不是像白腐真菌那样仅使用酶。

Goodell指出,“这组棕色腐真菌想出了如何在远处产生羟基自由基,即远离真菌,使它们远离真皮,这样自由基在破坏木材时不会自行损坏。”羟基自由基对细胞是非常有害的,细胞是生物系统中已知的最有效的氧化剂。

对于这项工作,Goodell及其同事,包括他的合作者Jody Jellison,现任麻省大学阿默斯特农业,食品和环境中心主任,使用了一套调查方法,包括小角度中子散射(SANS),和频生成(SFG)光谱学,傅里叶变换红外(FTIR)分析,X射线衍射(XRD),原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)来充分描述该过程。

Goodell说,“这些真菌确实产生了有限数量的酶,但是它们在真菌使用螯合剂进行非酶促作用转化后发挥作用。螯合剂是次级代谢产物,其功能不易使用'组学'技术如此尽管使用了许多先进的技术,我们看到一些非常小的低分子量化合物正在进入细胞壁。这篇新论文描述了如何。“

Goodell和Jellison讲述了一个从流明中的真菌开始的过程 - 植物细胞内部的空心空间。使用它们的菌丝,线状生长细丝,真菌然后对木细胞组分发生生化攻击。

正如Goodell解释的那样,“这组真菌通过首先将螯合剂扩散到细胞壁中而进化出打破木质基质的方法。真菌制造螯合剂并从氧气中产生过氧化氢,它们一起开始消化细胞壁进入细胞壁。在木材,葡萄糖的基本构件中发现的糖,真菌可以用作食物。这就是这些真菌在吃木头的方式。“

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